作者：吉淳 赵双 彭超 山云辉 程承
来源：《森林工程》2020年第05期
咖啡加工
摘 要：基于动态剪切流变仪（DSR）实验，对经过短期老化前后不同掺量的咖啡渣炭改性沥青高温流变性能进行分析，并对其抗老化评价指标进行讨论。结果表明：老化前咖啡渣炭的掺入可显著提高改性沥青的复数模量（G*）和车辙因子（G*/sin δ），降低相位角δ，沥青的高温稳定性得到增强。老化后咖啡渣炭改性沥青各性能指标的变化均大于基质沥青，证明咖啡渣炭提高了沥青抗老化性能。老化前随着咖啡渣炭掺量的增加，损耗因子（tan δ）也随之增加，证明其高温稳定性得到提高。老化后，咖啡渣炭多孔结构对沥青轻 质组分的吸附作用是咖啡渣炭抗老化的原因。对比老化前后各个参数发现，咖啡渣炭在掺量为9%时对沥青改性效果最佳。
关键词：道路沥青，咖啡渣炭，短期老化，高温流变性能
中图分类号：TU414 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2020）05-0106-06
Abstract：Based on the dynamic shear rheometer （DSR） experiment， the high-temperature rheological properties of the modified asphalt with different content of coffee grounds carbon before and after short-term aging were analyzed， and its anti-aging evaluation indexes were discussed. The results showed that the complex modulus G* and the rut factor G*/sinδ of the modified asphalt can be significantly increased by adding coffee grounds carbon before aging， the phase angle δ can be decreased， and the high temperature stability of the modified asphalt can be enhanced. The change of the performance indexes of the modified asphalt after aging was larger than that of the base asphalt， indicating that the coffee grounds carbon improved the anti-aging property of the asphalt. As the content of coffee grounds carbon increased before aging， tan δ also i
ncreased， which proved that the high temperature stability of the asphalt had been improved. After aging， the adsorption effect of the porous structure of coffee grounds carbon on the light components of asphalt was the reason for the anti-aging of coffee grounds carbon. Compared with the parameters before and after aging， it was found that the best coffee grounds carbon content was 9%.
Keywords：Road asphalt; coffee grounds carbon; short-term aging; high temperature rheological properties
0 引言
瀝青作为一种温度敏感性材料，在高温时表现出黏度降低，抵抗变形的能力减弱，从而产生诸如车辙、推移等，现已成为沥青路面重点防治的病害[1-4]。为此，通过向沥青中添加不同类型的改性剂，在提高沥青抵抗高温变形能力的同时，降低沥青路面高温病害发生的技术措施得到了广泛共识。然而这些改性剂（主要包括如SBS[5]、EVA[6]、PE[7]、抗车辙剂[8]以及橡塑合金[9-10]等）多为石油化工类产品，这将带来对石油资源过度依赖的问题。此外，该类产品的生产加工过程还会导致温室气体CO2排放量增加，这与低碳环保、 绿发展理念产生一定的冲突。因此，寻具有环境友好、可持续再生的材料，用于道路沥青改性已成为道路工程领域当下最为重要的研究热点之一。近些年来，随着生物质材料开发、利用得到广泛关注的同时，其炼制过程中产生的生物质油[11-13]、木质素[14-15]或农林加工剩余生物，如葡萄酒制备残渣[16]、油棕果壳灰[17]和稻壳灰[18]等被尝试用于沥青改性。实现了沥青性能改善与生物质废物的资源化利用。由于生物质材料自身的“绿”属性，将其或其加工利用过程中产生的剩余物在道路沥青中应用，定能对交通行业绿发展起到积极作用。
生物炭作为生物质燃料制备过程中的副产品，含碳量高、孔隙多，具有较大的比表面积和较强的吸附能力，表面极性官能团较少，因此具有较高热稳定性和生物化学抗分解性[19-21]。国内外学者尝试利用生物炭对沥青进行改性，研究结果表明生物质炭对沥青高温稳定性及抗氧化性有所提高[22]。Chebil等[23]以针叶木树皮残余物，采用真空热解方式制得生物质炭（WCP），作为改性剂对沥青进行改性，发现WCP的掺入提高了沥青的抗车辙性能，并有效降低了混合物的温度敏感性。Zhao等[24]发现掺入生物炭后，沥青的温度敏感性降低，抗车辙能力增强。傅珍等[25]采用60 ℃动力黏度、布氏旋转黏度（RV）和旋转薄膜烘箱（RTFOT）等试验对沥青宏观性能进行评价，发现生物炭的掺入能提高沥青的高
温稳定性，在生物炭掺量为12.5%时对沥青的改性效果最佳。Kumar等[26]通过将植物种子皮废物热解生产过程中获得的碳质生物炭作为沥青改性剂，结果表明：生物炭的使用提高了黏结剂的抗车辙性能，并改善了黏结剂的抗老化和变形影响。
咖啡是世界“三大饮料”作物之一，种植于世界范围内的70多个国家或地区[27]，咖啡渣是提取咖啡后剩余的废弃物。据统计，每生产1 kg咖啡就会排出0.9 kg咖啡渣，然而目前咖啡渣除了作为燃料和肥料以外，大多数废弃不用，潜在的自然资源并未开发，造成经济效益与环境效益的双重损失。云南作为中国咖啡最大产区，其产量占全国总产量的99%左右，是云南出口创汇和小农收入的重要来源[28]。因此，加快咖啡渣废弃物的资源化利用，可为实现咖啡产业清洁生产、提质增效提供新的技术途径。
本研究以咖啡生产过程废弃物——咖啡渣为原料，采用真空高温焙烧方式制备咖啡炭，采用动态剪切流变试验，测试经旋转薄膜烘箱老化试验（RTFOT）前后的、不同掺量咖啡渣炭改性沥青的流变参数（复数模量G*、相位角δ），分析咖啡渣炭掺量对沥青的高温流变性能及抗老化性能的影响规律，为咖啡渣炭改性沥青进一步研究与推广提供参考。
1 材料与方法
1.1 原材料
本实验以云南德宏后谷咖啡有限公司的咖啡加工剩余物——咖啡渣为原料，如图1（a）所示，通过马弗炉在500 ℃下真空焙烧2 h，制得咖啡渣炭，并利用陶瓷研钵手工磨细后过200目筛备用，如图1（b）所示，其扫描显微结构如图1（c）所示。
本实验所用沥青为东海70#道路石油沥青，其技术指标见表1。
1.2 咖啡渣炭改性沥青的制备
将在135 ℃烘箱中加热至流动状态时的基质沥青倒入铁质容器中（质量控制在500 g左右），然后将盛有沥青的铁质容器置于油浴锅中继续加热至160 ℃;开动高速剪切机（上海威宇生产的BME-100型），使剪切速度控制在200 r/min，分次倒入一定质量的咖啡渣炭，待咖啡渣炭混入沥青中，在160 ℃下继续搅拌1 h后，在120 ℃烘箱中保温1 h，至此制备得到咖啡渣炭改性沥青。本次试验制备了3种不同咖啡渣炭含量（分别添加沥青质量的3%、9%、15%）的改性沥青，用于探讨咖啡渣炭掺量对沥青流变性能及抗老化性能的影响规律。
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