咖啡残渣改性沥青路用性能探析

■许祥云

（宜春市公路事业发展中心，宜春 336000）

随着咖啡饮用人数逐年递增， 我国2021 年咖啡豆进口量同比增长104.3%，达到61770 t；且我国咖啡消费量还在以每年15%～20%的幅度快速增长，远超全球2%的平均增速[1]。 咖啡残渣是咖啡冲泡后的固体废物副产品，每生产1 kg 咖啡就会产生0.9 kg 咖啡残渣[2]。现阶段我国大量咖啡残渣未经利用就被送往垃圾填埋场进行填埋或焚烧，导致环境污染问题，因此亟需找到一种可大量使用咖啡残渣的再利用方式。Suksiripattanapong 等[3]将咖啡残渣用于路基填料， 结果表明在咖啡残渣掺量为70%时，90 d 的无侧限抗压强度可达到2 MPa。 吉淳等[2]基于动态剪切流变仪对短期老化前后不同掺量的咖啡残渣改性沥青抗老化性能进行分析，研究显示老化后的咖啡残渣改性沥青流变性能优于基质沥青，并推荐咖啡残渣在沥青中的掺量为9%。

综上所述， 咖啡残渣作为固体废物副产品具有潜在的公路工程应用价值，但关于咖啡残渣改性沥青的实际路用性能尚缺少研究。 为推进公路工程中碳中和政策的实际应用，基于江西省某省道试验路，通过电镜扫描试验获取咖啡残渣的微观形貌，通过针入度、延度、软化点、储存稳定性试验对咖啡残渣改性沥青的路用性能进行分析，为咖啡残渣在公路工程的实际应用提供试验数据支持。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

沥青采用广东佛山70＃ 基质沥青，表1 是沥青的物理性能试验结果。 咖啡残渣来自垃圾处理站中的厨余垃圾，将咖啡残渣在105℃下烘干至恒重。

表1 70# 基质沥青的物理性能

1.2 试验方法

1.2.1 咖啡残渣改性沥青的制备

将加热至流动状态的70＃ 基质沥青倒入容器皿中，容器皿放入恒温油浴锅中恒温至165℃。待温度稳定后， 分别加入沥青质量5%、10%、15%以及20%的咖啡残渣， 之后在高速剪切机的剪切速度为4000 r/min 下剪切40 min。

1.2.2 试验设计

（1）电镜扫描试验。 采用JSM-IT400 型号的扫描电镜，将干燥后的咖啡残渣进行研磨，在喷金后进行电镜扫描观察。

（2）针入度试验。 依据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0604-2011，在温度25℃，荷载100 g 以及贯入时间5 s 的试验条件下测定不同掺量的咖啡残渣改性沥青的针入度。

（3）延度试验。 依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0605-2011，在温度10℃的试验条件下测定不同掺量的咖啡残渣改性沥青的延度。

（4）软化点试验。 依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0606-2011，将装有试样的试样环以及支架、 钢球和定位环放入5℃的水槽中恒温15 min，打开软化点仪，使杯中水温每分钟上升5℃，直至试样下坠与底板表面接触，记录试验数值。

（5）储存稳定性试验。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0661-2011，将咖啡残渣改性沥青用0.3 mm 筛过筛， 注入盛样管中50 g，将盛样管一端密闭后放入163℃烘箱中静置48 h，加热结束后放入冰箱冷冻4 h，分别取盛样管上部1/3 处和下部1/3 处进行软化点试验，用软化点差值表征沥青的储存稳定性。

2 结果与讨论

2.1 电镜扫描试验

研究表明咖啡残渣的粒径在0.225 ～0.550 mm之间。 Sousa 等[4]基于比表面积分析仪的数据认为，咖啡残渣的总孔体积与比表面积小于新鲜咖啡，因此可以将咖啡残渣视作一种无孔材料。 图1 通过扫描电子显微镜（SEM）图像的形式表征了咖啡残渣的微观形态特征。 可以看出，50 倍放大后的咖啡残渣均匀分布，不存在颗粒团聚的现象。Mendes 等[5]的研究表明，咖啡残渣的表面形态特征与其提取过程有关。 将图像继续放大至500 倍，可以看到咖啡残渣表面无明显的孔隙结构。 此外，咖啡残渣颗粒呈锯齿状、褶皱状，并具有不规则的形状和粗糙的表面。 这一表面特征可以使得咖啡残渣与沥青之间具有良好的粘结性能。

图1 咖啡残渣微观形态

2.2 针入度试验

针入度表征了沥青抵抗变形的能力，由图2 可以看出，随着咖啡残渣的掺量逐渐增大，针入度呈现下降的趋势，这表明咖啡残渣的加入提高了基质沥青的刚性，从而使得咖啡残渣改性沥青抵抗变形的能力有一定的提升。咖啡残渣掺量在5%以内，改性沥青的针入度值满足70＃ 基质沥青的技术要求范围。 随着咖啡残渣掺量增加至10%及以上，改性沥青的针入度进入《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中50＃ 基质沥青的技术要求范围。 究其原因，咖啡残渣是一种表面棱角性丰富、密度较小且比表面积较大的材料；在掺量较小时，咖啡残渣在沥青中呈分散状态；随着掺量增大，咖啡残渣逐渐接近临界体积分数，在沥青中形成骨架结构，从而导致沥青刚度显著提高。 如图3 所示，Wu 等[6]通过大量的填料与改性剂的研究证明了这一点。

图2 咖啡残渣改性沥青针入度值

图3 填料临界体积分数示意图

2.3 延度试验

延度表征了沥青的低温抗裂能力，延度值越大沥青的韧性越好。 由图4 可知，随着咖啡残渣的掺量增大，改性沥青的延度显著下降，这表明咖啡残渣的加入降低了沥青的低温性能。 随着掺量达到15%及以上，咖啡残渣改性沥青的15℃延度小于规范要求。 究其原因，随着掺量增大，咖啡残渣在沥青中接近临界体积分数；咖啡残渣在沥青中的分布并不均匀以及咖啡残渣与沥青刚度不一致，会导致改性沥青在延度试验拉伸过程中，发生应力集中引发沥青更早拉断。 吉淳等[2]从微观相貌的角度研究表明，咖啡残渣较大的比表面积会引发改性沥青相态结构发生变化，过大的掺量会导致沥青极易发生脆性断裂。

图4 咖啡残渣改性沥青延度值

2.4 软化点试验

沥青的软化点表征了沥青在夏季高温季节的抗变形能力， 软化点值越大沥青的高温稳定性越好。 由图5 可知，随着咖啡残渣掺量的增大，改性沥青的软化点显著增加。 5%掺量的咖啡残渣同比基质沥青，其软化点值提升4.2%。 随着掺量增加，软化点的值进一步增大。 Junqing 等[7]的研究表明，废弃的碳材料同比商业碳材料，表面的锯齿形态显著增加。 而这一特性使得咖啡残渣在添加至沥青中后，沥青的黏度显著增加，进而提高了软化点值。

图5 咖啡残渣改性沥青软化点值

2.5 储存稳定性试验

沥青的软化点差值反映了改性沥青在运输过程中的离析程度，软化点差值越大说明改性材料与沥青的相容性越差。 由图6 可知，随着咖啡残渣的掺量增加，改性沥青的软化点差值逐渐增大。 在咖啡残渣掺量小于10%时，改性沥青的软化点差小于2.5℃，满足规范要求。随着掺量达到15%，软化点差值大于《公路工程沥青路面施工技术规范》中对聚合物改性沥青的2.5℃的要求。 这是因为试样在163℃的烘箱静置的过程中，均匀分散在沥青中的咖啡残渣会逐渐沉淀至底部。 废弃咖啡残渣是废弃碳材料中的一种，Feng 等[8]研究显示不同粒径的废弃碳材料由于范德华力的影响，在掺量过大时极易形成团聚，从而使其在沥青中易发生沉淀导致离析。

图6 咖啡残渣改性沥青储存稳定性

3 结论

咖啡残渣可用于沥青的改性，但关于其改性沥青的实际路用性能研究较少，本文通过电镜扫描、针入度、延度、软化点以及储存稳定性试验，对咖啡残渣的微观形貌及其改性沥青的路用性能进行分析，主要得到以下结论：

（1）咖啡残渣的微观形貌分布均匀，不存在颗粒团聚现象。 咖啡残渣的表面无明显的孔隙结构，且呈现锯齿状、褶皱状，并具有不规则的形状和粗糙的表面。 咖啡残渣的表面特征使得咖啡残渣与沥青之间的粘结性能良好。

（2）咖啡残渣显著提高了基质沥青的高温性能，并降低了低温性能。 咖啡残渣在沥青中的掺量小于5%时，针入度值与基质沥青同一等级。咖啡残渣在沥青中的掺量小于10%时，延度值与基质沥青同一等级。 随着咖啡残渣掺量增加，软化点值逐渐增大。

（3）咖啡残渣在沥青中的掺量小于10%时，其储存稳定性满足规范要求。 综合三大指标与储存稳定性试验结果，推荐咖啡残渣在沥青中的掺量不超过10%。