木質素改性劑對道路瀝青結合料的影響

黃全富

摘要：木質素約占草本植物生物質重量的30%，在瀝青路面中加入木質素可以提高路面的力學性能。文章選擇從楊木屑和玉米秸稈中提取的木質素制備木質素改性瀝青結合料，通過室內試驗，研究木質素改性瀝青結合料的力學性能。試驗結果表明：70#瀝青、楊木屑木質素改性瀝青和玉米秸稈木質素改性瀝青在135 ℃時的布式旋轉黏度分別為384.5 cp、487.5 cp和443.8 cp；摻加了楊木屑木質素和玉米秸稈木質素的瀝青混合料相較于70#瀝青，馬歇爾穩定度分別提高20.91%和5.67%；30 ℃時，玉米秸稈木質素瀝青混合料的勁度模量達到最大（194%）。研究結果可為纖維瀝青混凝土優選纖維類型提供參考。

關鍵詞：木質素；改性劑；道路；瀝青結合料

中圖分類號：U416.217? ? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0059-05

0 引言

木質素是木質纖維素生物質的典型生物聚合物，在造紙和生物燃料工業領域大量產生［1］。木質素約占草本植物生物質重量的30%，在自然界中來源廣泛。木質素主要由苯環中的碳氫化合物組成，其中木質素化學結構由大量的芳香環與烷基鏈連接而成［2］，它是一種高度支化和無定形的生物大分子，平均分子量在1 000～20 000 g/mol。作為石油提煉的副產品，瀝青已被廣泛地應用于瀝青路面鋪筑，以黏合松散的骨料、提高路面的服役性能。瀝青的性能在很大程度上決定了路面的性能，而不同種類的改性劑的應用對瀝青性能的改善作用是不同的［3］。通常，瀝青改性劑可以降低瀝青結合料的溫度敏感性，使其在高溫條件下更硬，在低溫條件下更軟，從而提高路面的高溫和低溫性能及其使用壽命［4］。雖然大量的研究已經證明利用木質素作為瀝青改性劑的可行性，但是對楊木屑木質素（KL）和玉米秸稈木質素（CL）作為瀝青改性劑的研究相對較少［5］；并且，楊木屑木質素（2 500萬噸/年）和玉米秸稈木質素（2.5億噸/年）都是豐富的廢料來源，均來自造紙業和農業生產［6］。因此，本研究通過一系列實驗測試，對木質素改性瀝青結合料的力學性能進行全面研究。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料和樣品的制備

1.1.1 原材料

本研究使用70#瀝青作為基質瀝青，70#瀝青由廣東廣州新粵交通科技有限公司提供。選用2種不同的木質素粉末（尺寸小于100目）作為研究對象，通過濕法制備改性基質瀝青結合料，木質素粉末粒徑均低于0.15 mm，其特性指標見表1。楊木屑木質素（KL）粉末來自棕色牛皮紙，玉米秸稈木質素（CL）粉末從玉米秸稈殘留物中提取［7］。

1.1.2 樣品制備

本研究制備2種木質素改性瀝青結合料，分別為楊木屑木質素改性瀝青結合料（標記為KLA+70#瀝青）和玉米秸稈木質素改性瀝青結合料（標記為CLA+70#瀝青）。分別將KL和CL改性劑（5%的瀝青質量）與基質瀝青結合料混合制備。采用高速剪切乳化機對基質瀝青結合料和改性劑進行混合，所有混合料均在160 ℃的溫度下制備1 h，剪切速度設定為4 000 rpm［8］。對所有未老化的瀝青膠結料樣品（包括改性瀝青膠結料和基質瀝青膠結料）進行不同程度的老化。根據不同的老化條件，老化程度可分為3種類型：未老化、短期老化和長期老化。本研究模擬瀝青結合料在實際路面使用10年后的老化情況。為了在熱瀝青結合料混合之前去除水分，將經過預處理的輝綠巖石塊和礦粉放在180 ℃的烘箱中烘烤4 h以上，馬歇爾制作壓實溫度設定為140 ℃［9］。

1.2 試驗方法

1.2.1 針入度和軟化點測試

通過針入度試驗和軟化點試驗評估瀝青結合料的性能。瀝青結合料的稠度通過針入度試驗進行評估。根據我國規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中的要求，25 ℃針入度試驗為在25 ℃下標準針（100±0.1）g在5 s時間內穿透瀝青試樣的深度。在軟化點測試期間，將重量為3.5 g的鋼球放置在結合料的表面，試驗溫度以恒定速率增加，鋼球自由下落，當鋼球觸及底層金屬擋板時的溫度，視為其軟化點。

1.2.2 馬歇爾穩定度和流值

瀝青混合料的穩定度可以通過馬歇爾試驗進行評估。在試驗中，測量2個參數，即馬歇爾穩定度和流值。木質素改性瀝青結合料試件在規定的加載條件下以恒定速度（50 mm/min）所能承受的最大荷載稱為馬歇爾穩定度［10］；流值被定義為木質素改性瀝青結合料試件在抵抗失敗時變形累積的總和。為評估時間對水損傷的抵抗力，將木質素改性瀝青結合料試件置于恒溫水浴中，試驗溫度設定為60°C，實驗時間設定為30 min。殘余馬歇爾穩定度（RS）定義為木質素改性瀝青結合料試件在熱水中浸泡48 h后的馬歇爾穩定度與基質瀝青試樣馬歇爾穩定度之比。殘余馬歇爾穩定度值越高，表示試件的穩定性越好。

1.2.3 勁度模量測試

開展勁度模量測試分析瀝青結合料的剛度。采用勁度模量比（ITSMR）反映試樣的老化敏感性。試驗中設置對照組和長期老化組，在20 ℃和30 ℃的溫度下各組采集勁度模量。將長期老化組放入恒溫烘箱（85 ℃）老化5 d，模仿路面使用5～10年的老化情況［11］。ITSMR為測試樣品老化敏感性的指標，勁度模量等于長期老化前勁度模量與老化后勁度模量之比。

1.2.4 傅里葉變換紅外光譜

開展傅立葉變換紅外測試（FTIR）分析測試樣品的化學鍵。在FTIR測試中使用Bruker Vertex 70（Billerica， MA， USA）儀器。由于每個化學官能團都有特殊的紅外線吸收特性，所以使用FTIR技術測量光譜，將測量的光譜與已知的光譜進行比較，從而分析測試樣品的化學鍵［12］。FTIR是業界常用的評估瀝青材料內部化學鍵和官能團的儀器［13］，在FTIR測試中，使用FTIR光譜儀和厚度約1 mm的顆粒掃描測試樣品，并獲得所需的紅外光譜范圍。

2 結果和討論

2.1 軟化點和針入度

圖1為針入度試驗和軟化點試驗結果。從圖1可以觀察到，木質素的摻入可以使木質素改性瀝青結合料試件產生較低的針入度，并且針入度越低，說明其剛度越高。從圖1可以看出，無論是什么類型的木質素，木質素改性劑都會降低瀝青結合料的針入度，其中KLA+70#瀝青和CLA+70#瀝青的針入度分別從64降至58（1/10 mm）和57（1/10 mm），并且5 wt%的木質素摻量使瀝青針入度的下降幅度達到最大。同時可觀察到，摻入木質素可以使瀝青軟化點提高［14］。KLA+70#瀝青和CLA+70#瀝青的軟化點值分別比70#瀝青高2.1 ℃和1.4 ℃。相比之下，木質素改性瀝青擁有較低的針入度和較高的軟化點，在高溫度下表現出優越的性能。KLA+70#瀝青的表現與CLA+70#瀝青相似，而KLA+70#瀝青的高溫性能比CLA+70#瀝青略有提高。

2.2 黏度值變化

圖2為含有5 wt%木質素的改性黏結劑在135 ℃和160 ℃溫度下的運動黏度，運動黏度值可以評估瀝青結合料的施工性能。為確保足夠的流動性，具有一定的道路瀝青黏度更有利于現場施工。從圖2可以觀察到，瀝青結合料的黏度隨著溫度的降低而增強。70#瀝青、KLA+70#瀝青和CLA+70#瀝青在135 ℃時的黏度分別為384.5 cp、487.5 cp和443.8 cp，所有的運動黏度值均符合規范要求（即大于3 000 cp），保證瀝青結合料都有足夠的流動性，可以進一步提高其拌合速度［15］。160 ℃時，70#瀝青、KLA+70#瀝青和CLA+70#瀝青的黏度分別為134 cp、302.5 cp和230.5 cp，并且發現在所有溫度條件下，基質瀝青的黏度均比70#瀝青高，KLA+70#瀝青的黏度值達到最高。試驗溫度為160 ℃時，KLA+70#瀝青的黏度是70#瀝青的2.2倍，而CLA+70#瀝青的黏度是70#瀝青的1.7倍。

2.3 馬歇爾穩定度和流值

作為經驗指標，馬歇爾穩定度和流值常用于量化瀝青結合料的高溫性能。馬歇爾穩定度一般在瀝青結合料配合比設計中涉及較多，通常用于初選瀝青結合料級配，流值可以評估瀝青混合料對塑性變形的抵抗力。馬歇爾試驗結果如圖3所示，由圖3可知，在不同的水浴時間下，與70#基質瀝青結合料相比，含有基質瀝青（70#瀝青）的瀝青結合料具有更高的馬歇爾穩定度。在30 min的浸泡條件下，使用KLA+70#瀝青和CLA+70#瀝青的瀝青結合料相比70#瀝青結合料的馬歇爾穩定度分別提高18.09%和3.04%。在浸泡48 h的條件下，楊木屑木質素（KLA）和玉米秸稈木質素（CLA）的瀝青混合料的馬歇爾穩定度分別提高20.91%和5.67%。在熱水中浸泡48 min后［如圖3（b）所示］、30 min后，基質瀝青（70#瀝青）流值普遍低于KLA+70#瀝青和CLA+70#瀝青，雖然70#瀝青在水浸泡45 min后的流量值略高于KLA+70#瀝青和CLA+70#瀝青，但是其差異并不顯著。馬歇爾穩定度和流值測試結果表明，木質素對70#瀝青的永久變形阻力產生較大的影響。與CL相比，KL具有較高的馬歇爾穩定度值，可以進一步增強瀝青的耐高溫性能。

2.4 勁度模量

圖4為長期老化前后的勁度模量（ITSR）和勁度模量比（ITSMR）結果。在長期老化之前，在20 ℃［圖4（a）］和30 ℃［圖4（b）］條件下，勁度模量值從高到低依次是KLA+70#瀝青、CLA+70#瀝青和70#瀝青結合料。長期老化后，勁度模量值的順序遵循20 ℃老化過程之前的變化，但在30 ℃時，CLA+70#瀝青的勁度模量最高，其次是KLA+70#瀝青和70#瀝青。勁度模量測試結果表明，木質素改性劑和老化過程使剛性效果增強。在20 ℃時，可以看出楊木屑木質素和玉米秸稈木質素剛度增加幅度較低且勁度模量值與老化后的70#瀝青相似。然而，在30 ℃時，老化后玉米秸稈木質素對剛度模塊的增強作用是顯著的；玉米秸稈木質素的勁度模量值最大，表現出最差的老化情況。

勁度模量比是老化過程后的勁度模量除以老化過程前的勁度模量所得出的比率。如圖4（b）所示，70#瀝青、KLA+70#瀝青和CLA+70#瀝青在20 ℃時的勁度模量比值分別為199%、173%和177%。在20 ℃時，由于基質瀝青的勁度模量比值較低，其耐老化性比70#瀝青結合料要好。因此，基質瀝青在較低溫度下的性能表現得更好。在30 ℃時，70#瀝青、KLA+70#瀝青和CLA+70#瀝青的勁度模量比值分別為152%、154%和194%。結果顯示，70#瀝青和KLA瀝青在30 ℃時擁有相似的勁度模量比值，表明KLA+70#瀝青和70#瀝青具有相似的耐老化性，并且均比CLA+70#瀝青表現更好。綜上所述，KL的加入提高了70#瀝青結合料在20℃時的耐老化性，并且在30 ℃時幾乎不影響其耐老化性。考慮到瀝青混合料的耐老化性，選擇摻入KL比CL更好。

2.5 傅立葉變換紅外光譜

傅立葉變換紅外光譜作為一種微觀性能評估手段，用于評估木質素、黏結劑和木質素改性黏結劑的化學鍵和功能團。傅立葉變換紅外光譜的結果如圖5所示。本文選擇波段為400～1 800 cm-1的波區。光譜分析確定了與木質素類型引起的差異有關的光譜特征。只有KL顯示了與木質素相關的880 cm-1振動，只有CL顯示了與C-H變形不對稱相關的836 cm-1振動。在CLA中，還有984 cm-1、1 127 cm-1和1 462 cm-1的其他振動與C-H變形不對稱伸展相關。玉米秸稈木質素在近1 259 cm-1處表現出更突出的C-O基峰和在1 697 cm-1處變現出更強的C=O鍵拉伸振動。

圖5為70#瀝青、KLA+70#瀝青和CLA+70#瀝青的吸收光譜。可以觀察到，KLA+70#瀝青和CLA+70#瀝青的吸收光譜與70#瀝青相似，但峰面積不同。以上結果表明，每種類型的木質素在瀝青中的分布是均勻的。木質素加入基質瀝青后，沒有發生明顯的化學反應，KLA+70#瀝青沒有形成不同的化學鍵，而CLA+70#瀝青出現新的功能團。CLA+70#瀝青中，在1 127 cm-1和1 272 cm-1區域也有明顯的差異，分別為共軛C-O鍵和合成環的C-H鍵，并且在CLA+70#瀝青的光譜中觀察到1 653 cm-1的明顯吸收，而KLA+70#瀝青和70#瀝青沒有明顯的吸收峰。

3 結論

本文詳細評估了木質素改性作為瀝青材料性能改進劑的可行性，對木質素改性材料進行了一系列測試，得出以下結論：①木質素改性可以極大地改善基質瀝青結合料（70#瀝青）的黏度、軟化點。②楊木屑木質素在抗老化性方面比玉米秸稈木質素的改善效果更好，但玉米秸稈木質素在改善混合料的施工性能方面效果更好。總體而言，從木屑中提取的木質素在瀝青改性方面表現出比從玉米秸稈中提取的木質素更優越的性能。

4 參考文獻

［1］夏慶宇.不同原材料對靜碾SMA-13瀝青混合料壓實性能影響的研究［J］.上海公路，2021（3）：92-97，156.

［2］趙毅，田于鋒，郝增恒，等.隧道瀝青路面阻燃抑煙技術及機理研究進展［J］.應用化工，2021，50（5）：1430-1438.

［3］殷金俠，馬慶偉，張紹泉，等.鹽凍融循環下添加劑對瀝青流變性能的影響［J］.筑路機械與施工機械化，2020，37（3）：25-30.

［4］程承，彭超，陶桂祥，等.短期老化對木質素改性瀝青高溫流變性能的影響［J］.化工新型材料，2019，47（1）：243-246，251.

［5］張樹文，穆明浩，趙佃寶，等.彈性體高黏改性瀝青制備及性能影響研究［J］.化學研究，2022，33（2）：143-151.

［6］馬峰，李晨，傅珍，等.基于流變的復合增強劑改性瀝青高低溫性能影響［J］.公路，2020，65（4）：300-305.

［7］周樂東，魯斌.不同纖維對SBS/膠粉復合改性瀝青混合料性能影響［J］.石油瀝青，2020，34（4）：48-55.

［8］孫曉龍，張奕康，袁俊申，等.生物瀝青的研究現狀及發展趨勢［J］.廣東工業大學學報，2022，39（2）：105-119.

［9］劉克非，朱俊材，張雪飛，等.氧化石墨烯改性瀝青性能評價及其OGFC混合料路用性能［J］.長安大學學報（自然科學版），2020，40（1）：40-48.

［10］程承，彭超，陶桂祥，等.短期老化對木質素改性瀝青高溫流變性能的影響［J］.化工新型材料，2019，47（1）：243-246，251.

［11］付建村，陳江，胡家波，等.不同SBS含量的改性瀝青對薄層磨耗層混合料路用性能影響［J］.石油瀝青，2008，22（6）：31-36.

［12］張國輝，陳波，郭宏斌.SHRP規范檢測標準在長余高速公路改性瀝青路面施工中的應用［J］.東北公路，2003（3）：49-51.

［13］羅楚凡，康愛紅，吳幫偉，等.外摻劑對SMA-13瀝青混合料高溫性能影響試驗研究［J］.吉林建筑大學學報，2021，38（5）：72-77.

［14］宋小金，樊亮，林江濤，等.Honeywell溫拌劑在SMA瀝青混合料中的添加方法及性能研究［J］.湖南大學學報（自然科學版），2017，44（6）：75-80.

［15］王新科，蔣建輝，周啟偉，等.一種高粘彈改性瀝青及其混合料性能與工程應用［J］.公路交通技術，2022，38（2）：51-57.