周 杰曾梦澜

(1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082； 2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

0 引言

沥青路面因具有优越的路用性能而在全世界范围内得到广泛的应用。其中，通过原油蒸馏得到的石油沥青是应用于沥青路面中的主要结合料，但是石油沥青具有不可再生性，且原油的加工过程会造成严重的环境污染。所以，探寻替代石油沥青结合料的可再生铺筑材料在当今的道路工程领域具有重大意义[1-2]。

在目前的环境背景下，由生物质能源制备而成的生物沥青结合料应运而生，其具有可再生性，被认为是一种环境友好型的道路材料。与传统石油沥青相比，生物沥青还具有分布广泛、取材方便、价格便宜等诸多优势。若以生物沥青作为石油沥青的可持续替代品应用于道路工程领域，将产生巨大的经济效益、社会效益以及生态效益[3-4]。

沥青混合料属于一种复合型的黏弹性材料，由粗细集料、矿粉、沥青结合料和外加剂组成。其中，沥青结合料作为矿质集料的胶结材料，也是混合料黏弹性质的根源所在，所以其对混合料的各项性能起到了至关重要的作用[5]。然而，与沥青混合料的性能试验相比，结合料的相关试验更加准确、简便，且受其他外界因素的影响较小。因此，通过结合料性能指标的试验结果对相应的混合料性能指标进行合理的预估，不仅可以节省一定的人力和物质成本，还可以根据对沥青混合料路用性能的不同要求来选择相应的沥青结合料。

国内外研究者对沥青结合料与混合料性能指标之间的相关性进行了广泛的研究。其中，Sabouri等[6]进行了沥青结合料的线形振幅扫描(LAS)试验、动态剪切流变(DSR)试验以及混合料的四点弯曲疲劳试验，研究结果表明，与传统的SHRP结合料疲劳指标(即疲劳因子)相比，在试验中的所有应变水平下，LAS试验结果与混合料的疲劳特性具有更好的相关性。Zeng等[7]采用建模技术建立了沥青结合料与混合料流变性能之间的关系，研究结果表明，沥青结合料与混合料复数模量之间的关系可以通过广义幂函数进行数学建模，而二者相位角之间的关系则可通过一个改进的半正弦函数来建模。Blazejowski等[8]通过多级应力蠕变恢复(MSCR)试验与车辙试验，分析了沥青结合料的不可恢复蠕变柔量、不可恢复蠕变柔量相对差异与其混合料的抗车辙性能之间的相关性，分析结果表明，对于AC 16W型和AC WMS 16型混合料，相关性较明显，特别是AC 16W型混合料；对于SMA 11型混合料，相关性则不明显。刘黎萍等[9]研究了常用的沥青结合料高温性能指标与混合料高温单轴贯入强度之间的相关性，试验结果表明，不可恢复蠕变柔量的相关性最好，软化点、零剪切黏度、黏性蠕变劲度等指标的相关性较差，并且还发现改进车辙因子比车辙因子的相关性高。詹小丽等[10]对沥青结合料低温性能指标与混合料弯曲应变能进行了灰色关联分析，分析结果表明，临界开裂温度与混合料弯曲应变的相关性最好，PG低温分级、损失模量等流变指标的相关性次之，低温针入度、延度等物理指标的相关性最差。宋小金等[11]研究了3种沥青材料(沥青、沥青胶浆和沥青混合料)之间动力性质的相关性，试验结果表明，3种沥青材料的模量之间存在幂函数关系；对于相位角来说，沥青与沥青胶浆、沥青与沥青混合料之间均存在正弦函数关系，沥青胶浆与沥青混合料之间则存在平方关系，且这些关系并不依赖于试验的频率(或加载时间)和温度。

本研究以生物沥青调和沥青为研究对象，通过室内试验对其结合料与混合料的主要性能指标进行了测试，并且对相关指标之间的相关性进行了分析，为建立沥青结合料与混合料性能指标之间的普适性关系提供参考依据，并为生物沥青调和沥青技术的进一步理论研究以及未来在道路工程领域的广泛应用奠定基础。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

1.1.1基质沥青

采用50#道路石油沥青作为基质沥青，其基本性质如表1所示。其中，各试验项目的测试结果均满足相应规范(JTG F40—2004)[12]的要求。

1.1.2生物沥青

本研究采用蓖麻油生物沥青，其属于植物类生物沥青，为蓖麻子提炼蓖麻油过程中产生的废料经过一系列处理工艺后所得到，在常温条件下具有与普通石油沥青相似的外观特征，只是颜色较淡。其基本性质如表2所示。

1.1.3矿质集料

粗集料、细集料以及矿粉均采用石灰岩，其基本性质如表3～表5所示。其中，各试验项目的测试结果同样满足相应规范(JTG F40—2004)[12]的要求。

表1 基质沥青的基本性质Table1 Basicpropertiesofbaseasphalt试验项目针入度(25℃)/0.1mm软化点/℃延度(15℃)/cm闪点/℃溶解度/%RTFOT后质量变化/%残留针入度比(25℃)/%残留延度(15℃)/cm测试结果43.752.8>10027099.60.0263.613.5规范要求40～60≥49≥80≥260≥99.5≤±0.8≤±0.8≥10

表2 生物沥青的基本性质Table2 Basicpropertiesofbioasphalt试验项目密度/(g·m-3)闪点/℃溶解度/%RTFOT后质量变化/%测试结果0.99024087.49-3.6

表3 粗集料的基本性质Table3 Basicpropertiesofcoarseaggregates试验项目表观相对密度吸水率/%压碎值/%磨耗损失(洛杉矶法)/%坚固性/%软石含量/%针片状颗粒含量/%粒径大于9.5mm粒径小于9.5mm测试结果2.7080.4521.320.13.11.18.412.7规范要求≥2.50≤3.0≤28≤30≤12≤5≤15≤20

表4 细集料的基本性质Table4 Basicpropertiesoffineaggregates试验项目表观相对密度吸水率/%砂当量/%坚固性(>0.3mm部分)/%测试结果2.6830.9178.34.6规范要求≥2.50实测≥60≤12

表5 矿粉的基本性质Table5 Basicpropertiesofmineralpowder试验项目表观密度/(t·m-3)含水量/%亲水系数塑性指数/%测试结果2.7200.20.762.3规范要求≥2.50≤1<1<4

1.2 调和沥青的制备

首先将基质沥青与生物沥青在105 ℃的环境下加热1 h，然后根据选定的比例将二者在高温下共混，为确保基质沥青与生物沥青能够均匀混合，将其在电动搅拌机中以1 500 r/min的转速搅拌20 min。本研究共制备了5种不同掺量的生物沥青调和沥青，即0%、5%、10%、15%、20%(生物沥青与沥青总量之比)。其中，作为对比的0%掺量生物沥青调和沥青(即基质沥青)也采用相同的加工工艺。

1.3 混合料的制备

采用级配相同的集料分别与5种不同掺量的生物沥青调和沥青制备出沥青混合料，级配类型为AC-20C，其级配曲线如图1所示。对于每种掺量的调和沥青，采用布洛克菲尔德黏度计(Brookfield)旋转法分别测定其在6个不同温度(105、120、135、150、165、180 ℃)下的表观黏度，并绘制相应的黏温曲线，根据等黏度原则确定沥青混合料制备时的拌合与压实温度范围。对5种不同生物沥青掺量(0%、5%、10%、15%、20%)的沥青混合料进行马歇尔设计，通过对标准马歇尔试件性能参数的测定，确定了每个掺量下的最佳沥青用量，即4.5%、4.6%、4.7%、4.9%、5.0%。

图1 AC-20C级配曲线Figure 1 Grading curve of AC-20C

1.4 试验方法

在本研究中，所有性能指标的室内试验均根据交通运输部JTG E20-2011规范[13]中相应的试验方法开展。其中，根据T0604—2011试验方法开展针入度试验；根据T0606—2011试验方法开展软化点试验；根据T0625—2011试验方法开展旋转黏度试验；根据T0605—2011试验方法开展延度试验；根据T0628—2011试验方法开展流变性质试验；根据T0627—2011试验方法开展弯曲蠕变劲度试验；根据T0709—2011试验方法开展马歇尔稳定度试验；根据T0719—2011试验方法开展车辙试验；根据T0715—2011试验方法开展弯曲试验；根据T0716—2011试验方法开展劈裂试验；根据T0713—2000试验方法开展单轴压缩试验。

2 试验结果与分析

2.1 高温性能指标相关性分析

本研究所采用的高温性能指标为沥青结合料的软化点、当量软化点T800、PG连续分级高温UT、60 ℃黏度以及沥青混合料的马歇尔稳定度、动稳定度。基于生物沥青调和沥青结合料与混合料高温性能指标的实验室测试结果，下面进行相关性分析。

图2展示了沥青结合料的软化点与其混合料的马歇尔稳定度、动稳定度之间的相关性。从图2中可以看出，随着沥青结合料的软化点的升高，其混合料的马歇尔稳定度和动稳定度均逐渐增大，并呈现出线性相关，相关系数R2分别为0.9499和0.9346，说明生物沥青调和沥青结合料的软化点与其混合料的马歇尔稳定度、动稳定度之间具有良好的线性相关性。

图2 软化点与马歇尔稳定度、动稳定度的相关性Figure 2 Correlation between softening point and Marshall stability，dynamic stability

图3展示了沥青结合料的当量软化点T800与其混合料的马歇尔稳定度、动稳定度之间的相关性。从图3中可以看出，随着沥青结合料的当量软化点T800的升高，其混合料的马歇尔稳定度和动稳定度也逐渐增大，同样呈现出线性相关，相关系数R2分别为0.8952和0.9683。与图2中软化点的相应拟合结果相比，当量软化点T800与马歇尔稳定度之间的相关系数R2较小，而与动稳定度之间的相关系数R2较大，说明就生物沥青调和沥青而言，软化点与马歇尔稳定度的线性相关性更好，而当量软化点T800与动稳定度的线性相关性更好。

图3 当量软化点T800与马歇尔稳定度、动稳定度的相关性Figure 3 Correlation between T800 and Marshall stability，dynamic stability

图4展示了沥青结合料的PG连续分级高温UT与其混合料的马歇尔稳定度、动稳定度之间的相关性。从图4中可以看出，随着沥青结合料的PG连续分级高温UT的升高，其混合料的马歇尔稳定度和动稳定度逐渐增大，两组线形关系的相关系数R2分别为0.8948和0.9674。值得注意的是，PG连续分级高温UT的相关系数R2与图3中当量软化点T800的相应拟合结果非常接近，说明PG连续分级高温UT和当量软化点T800在数据上相互支撑，二者对沥青混合料高温性能指标的预估具有一致性。

图4 PG连续分级高温UT与马歇尔稳定度、动稳定度的相关性Figure 4 Correlation between UT and Marshall stability，dynamic stability

沥青结合料的黏度在一定程度上表征了其混合料抵抗流动变形的能力，体现了抗车辙的本质，并且是一个被广泛用于评价沥青结合料高温性能的技术指标[14]。在我国，沥青路面盛夏季节的表面温度高达50～70 ℃。所以，沥青的60 ℃黏度指标能够反映路面的真实使用状况。

图5展示了沥青结合料的60 ℃黏度与其混合料的马歇尔稳定度、动稳定度之间的相关性。从图5中可以看出，随着生物沥青掺量的增加，沥青结合料的60 ℃黏度呈现出先减小后增大的变化趋势，而其混合料的马歇尔稳定度和动稳定度均逐渐减小，说明生物沥青调和沥青结合料的60 ℃黏度与其混合料的马歇尔稳定度、动稳定度之间不具有线性关系。通过数据拟合可以看出，两组关系均呈现出二次相关，动稳定度对应的相关性较好，相关系数R2达到0.9415，马歇尔稳定度对应的相关系数R2则仅为0.7312。就生物沥青调和沥青而言，沥青结合料的60 ℃黏度不能够通过线形关系预估其混合料的高温性能指标，二者之间存在抛物线关系。

图5 60 ℃黏度与马歇尔稳定度、动稳定度的相关性Figure 5 Correlation between viscosity at 60 ℃ and Marshall stability，dynamic stability

2.2 低温性能指标相关性分析

本研究所采用的沥青结合料低温性能指标为延度、当量脆点T1.2、PG连续分级低温LT，其中，延度是在15 ℃的试验环境下所测得；对于沥青混合料，则采用弯曲试验中小梁试件破坏时最大弯拉应变。基于生物沥青调和沥青结合料与混合料低温性能指标实验室测试结果，下面进行相关性分析。

图6展示了沥青结合料的延度与其混合料的最大弯拉应变之间的相关性。从图6中可以看出，随着沥青结合料的延度的增大，其混合料的最大弯拉应变逐渐减小，呈现出线性相关，相关系数R2为0.8405。但二者对低温性能的评价结果相反，即随着生物沥青掺量的增加，结合料的延度逐渐减小，低温性能降低，而混合料的最大弯拉应变逐渐增加，低温性能得到提高，其主要原因为生物沥青调和沥青中含有一些杂质成分，使得试件在延度试验的拉伸过程中出现应力集中现象[15]，从而导致其调和沥青的延度随着生物沥青掺量的增加而逐渐减小，所以拿延度作为生物沥青调和沥青低温性能评价指标的可行性有待进一步验证。

图6 延度与最大弯拉应变的相关性Figure 6 Correlation between ductility and maximum flexural-tensile strain

图7展示了沥青结合料的当量脆点T1.2与其混合料的最大弯拉应变之间的相关性。从图7中可以看出，随着沥青结合料的当量脆点T1.2的降低，其混合料的最大弯拉应变逐渐增大，相关系数R2为0.870 2，说明生物沥青调和沥青结合料的当量脆点T1.2与其混合料的最大弯拉应变之间存在较好的线性相关性，可以通过结合料的当量脆点T1.2在一定程度上预估其混合料的最大弯拉应变。

图7 当量脆点T1.2与最大弯拉应变的相关性Figure 7 Correlation between T1.2 and maximum flexural-tensile strain

图8展示了沥青结合料的PG连续分级低温LT与其混合料的最大弯拉应变之间的相关性。从图8中可以看出，随着沥青结合料的PG连续分级低温LT的降低，其混合料的最大弯拉应变逐渐增大，相关系数R2为0.895 1。与图7中当量脆点T1.2的相应拟合结果相比，PG连续分级低温LT与最大弯拉应变之间的相关系数R2较大，说明就生物沥青调和沥青而言，PG连续分级低温LT与最大弯拉应变的线性相关性更好。然而从总体上来看，与高温性能指标线形关系中的相关系数R2相比，低温性能指标中所得到的相关系数R2相对较小。

图8 PG连续分级低温LT与最大弯拉应变的相关性Figure 8 Correlation between LT and maximum flexural-tensile strain

2.3 针入度与混合料性能指标的相关性分析

针入度是一项重要的性能指标，也是划分沥青标号的依据之一，目前我国依然采用针入度分级系统。通过针入度试验可以在高温性能、低温性能以及感温性能3个方面对沥青进行综合评价，因此，针入度也被认为是一项综合性的指标[16]。在本研究中，针入度是在25 ℃的标准试验条件下所测得。沥青混合料性能指标包括高温性能指标(马歇尔稳定度、动稳定度)、低温性能指标(最大弯拉应变)以及力学性能指标(劈裂强度、抗压回弹模量)。其中，力学性能试验均在15 ℃的试验环境下开展。基于生物沥青调和沥青结合料针入度指标与混合料性能指标的实验室测试结果，下面进行相关性分析。

图9展示了沥青结合料的针入度与其混合料的马歇尔稳定度、动稳定度之间的相关性。从图9中可以看出，随着沥青结合料的针入度的增大，其混合料的马歇尔稳定度和动稳定度均逐渐减小，相关系数R2分别为0.942 9和0.942 2，展现出良好的线性相关性，且二者的相关系数R2十分接近，说明通过结合料的针入度对其混合料各项高温性能指标的预估具有相近的准确度。

图9 针入度与马歇尔稳定度、动稳定度的相关性Figure 9 Correlation between penetration and Marshall stability，dynamic stability

图10展示了沥青结合料的针入度与其混合料的最大弯拉应变之间的相关性。从图10中可以看出，随着沥青结合料的针入度的增大，其混合料的最大弯拉应变逐渐增大，相关系数R2为0.8543，线性相关性较好，但低于图9中针入度与混合料高温性能指标的相应拟合结果，说明就生物沥青调和沥青而言，针入度与混合料高温性能指标的线性相关性优于与低温性能指标的线性相关性。

图10 针入度与最大弯拉应变的相关性Figure 10 Correlation between penetration and maximum flexural-tensile strain

图11展示了沥青结合料的针入度与其混合料的劈裂强度、抗压回弹模量之间的相关性。从图11中可以看出，随着沥青结合料的针入度的增大，其混合料的劈裂强度先减小后缓慢提高，而抗压回弹模量则逐渐减小，说明生物沥青调和沥青结合料的针入度与其混合料的劈裂强度之间不存在线性相关性，通过数据拟合可知，二者之间呈二次相关，相关系数R2为0.881 0。对于抗压回弹模量来说，其与针入度之间线性相关性很好，相关系数R2高达0.977 6，且大于图9和图10中针入度与混合料高低温性能指标之间相应的线形拟合结果。

图11 针入度与劈裂强度、抗压回弹模量的相关性Figure 11 Correlation between penetration and splitting strength，compression modulus of resilience

3 结论

为探讨生物沥青调和沥青结合料与混合料性能指标之间的相关性，本研究制备了5种不同生物沥青掺量的调和沥青结合料和相应的AC-20C型沥青混合料，通过室内试验对其结合料与混合料的主要性能指标进行了测试，并且对相关指标之间的相关性进行了分析，主要结论归纳如下：

a.生物沥青调和沥青结合料的软化点、当量软化点T800、PG连续分级高温UT与其混合料的马歇尔稳定度、动稳定度之间具有良好的线性相关性。且软化点与马歇尔稳定度的线性相关性更好，当量软化点T800与动稳定度的线性相关性更好，PG连续分级高温UT和当量软化点T800对沥青混合料高温性能指标的预估具有一致性。

b.生物沥青调和沥青结合料的60 ℃黏度与其混合料的马歇尔稳定度、动稳定度之间不具有线性关系，而呈二次相关。就生物沥青调和沥青而言，沥青结合料的60 ℃黏度不能够通过线形关系预估其混合料的高温性能指标。

c.生物沥青调和沥青结合料的当量脆点T1.2、PG连续分级低温LT与其混合料的最大弯拉应变之间具有较好的线性相关性，且PG连续分级低温LT与最大弯拉应变的线性相关性更好。

d.生物沥青调和沥青结合料的延度与其混合料的最大弯拉应变之间呈线性相关，但二者对低温性能的评价结果相反。因此，以延度作为生物沥青调和沥青低温性能评价指标的可行性有待进一步验证。

e.相比于低温性能指标，生物沥青调和沥青结合料的针入度与其混合料高温性能指标之间的线性相关性更好。对于力学性能指标来说，针入度与抗压回弹模量之间线性相关性很好，而与劈裂强度之间则呈二次相关。