秸稈改性瀝青膠漿的黏溫特性及改性機理研究

董 娟,司有翔,謝 巍,張 苛,,張 毅

(1.安徽茂誠路橋工程有限公司,安徽 阜陽 236000; 2.安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南232001;3.阜陽師范大學 信息工程學院,安徽 阜陽 236041)

0 引 言

2022年2月,《公路“十四五”發展規劃》提出,到2025年公路基礎建設要更大程度上達到“綠色、經濟”目標。從發展的角度來看,當前我國公路基礎設施仍需完善,公路瀝青混合料市場需求仍不斷增大。但是,傳統的瀝青工藝所采用的瀝青材料溫度穩定性差,易出現冬季脆裂、夏季軟化等問題。通過提取秸稈纖維、摻入瀝青混凝土等來改善其路用力學性能,不僅提高瀝青路面的壽命,還解決了秸稈處理的問題,符合公路建設的可持續發展目標。

目前,道路界的專家學者普遍認為,纖維材料作為一種瀝青混合料添加劑和穩定劑,能有效改善瀝青路面的各項性能指標。MIAO Yinghao等[1]認為,添加纖維可以顯著提高瀝青的剪切強度,其增強效果與瀝青和纖維的類型密切相關,對于相同的瀝青,纖維的表面能越高,增強效果越好;A.C.DO VALE等[2]研究了兩種纖維對瀝青瑪蹄脂碎石的影響,發現纖維對瀝青起到阻滯作用,可改善瀝青混合料的路用性能;P.J.YOO等[3]采用四點彎曲和間接拉伸實驗,分析單鏈高分子纖維對瀝青混合料的作用,發現該纖維能有效提高瀝青混合料的韌性;A.KHATER等[4]研究木質素纖維、玻璃纖維這2種纖維對瀝青混合料的水穩定性和低溫穩定性的影響,發現添加纖維能減少瀝青和集料間的離析,改善混合料的水穩定性;李振霞等[5]認為,纖維無規則分布在混合料內形成三維網狀結構,有串聯骨架功能,在瀝青混合料初始開裂時起到拉伸作用,阻止裂縫的進一步擴展。

KOU Changjiang等[6]對多種纖維改性瀝青膠漿開展軟化點、延度和動態剪切流變試驗,發現纖維的加入可以明顯降低瀝青膠漿的溫度敏感性,提高瀝青膠漿的抗剪切強度;李震南等[7]認為 -20 ℃下玄武巖纖維瀝青膠漿的拉伸斷裂能與混合料的彎拉應變關聯度最大,推薦采用 -20 ℃下玄武巖纖維瀝青膠漿的拉伸斷裂能來評價玄武巖纖維瀝青混合料的低溫性能;王修山等[8]利用SEM掃描電鏡試驗從微觀角度分析了陶瓷纖維改性瀝青混合料的作用機理,結果表明,分布于瀝青混合料中的陶瓷纖維可通過吸附作用使結構瀝青含量增多、瀝青黏性增強,從而提升瀝青與礦料之間的界面作用力。

程培峰等[9]認為水稻秸稈纖維摻量、長度和粉膠比等因素都對稻秸稈纖維瀝青膠漿流變性能有不同程度的影響,其中粉膠比對其性能起決定性作用;丁湛等[10]將稻草秸稈液化后加入基質瀝青中制備生物瀝青,其針入度、軟化點、延度等基本性能指標均符合要求,并一定程度上改善了基質瀝青的低溫性能;陳飛等[11]認為天然纖維相較于其他纖維,表面更粗糙,吸油性強,對瀝青混合料起到吸附穩定作用。

以上研究證實纖維的添加會改善瀝青混合料的路用性能,但較少涉及農作物秸稈纖維對瀝青黏溫特性的影響,且作用機理尚有待進一步研究。為了探討秸稈改性瀝青膠漿黏溫特性及改性機理,首先,通過布氏旋轉黏度試驗對秸稈改性瀝青膠漿的黏溫特性進行研究,分析秸稈摻量、種類對改性瀝青膠漿黏度的影響;其次,采用紅外光譜試驗,基于定性和定量分析方法探討3種秸稈改性瀝青膠漿的紅外光譜特性,探討官能團指數和秸稈改性瀝青膠漿黏溫特性的關系;最后,結合秸稈改性瀝青膠漿的微觀形貌特征,揭示秸稈纖維對基質瀝青的影響機理。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝 青

瀝青采用瀝青拌合站提供的70# 基質瀝青,其基本性能指標如表1,各項指標均能滿足相關規范要求。

表1 70# 基質瀝青基本指標

1.1.2 秸稈纖維

采取“機械破碎”方式制備水稻、小麥和玉米3種不同的秸稈纖維,秸稈纖維的粒徑大小為60目。采用孔徑為0.3 mm篩子將秸稈纖維中粒徑比較大的顆粒除去,放入烘箱干燥備用,如圖1。

圖1 瀝青膠漿的黏溫曲線

1.1.3 秸稈改性瀝青制備

傳統的秸稈纖維瀝青混合料往往采用干拌法,導致瀝青纖維很難充分地被瀝青包裹,而預先拌制秸稈改性膠漿可以有效地解決這一問題。由于秸稈纖維在瀝青膠漿容易形成團簇,筆者為解決分散不均的問題,對秸稈纖維進行預處理:

1)將制備好的秸稈纖維放入烘箱,在100～105 ℃干燥脫水2～3 h。

2)將脫水后的秸稈纖維放入超聲波攪拌桶中進行蓬松分散,使得秸稈纖維中的團簇分散。

3)攪拌過程中將脫水分散后的秸稈纖維分3次加入瀝青中,每次間隔10 min,以確保秸稈纖維分散均勻。

1.2 試驗方法

1.2.1 布氏旋轉黏度試驗

布氏旋轉黏度是表征流體類材料發生流動變形難易程度的有效指標。采用布氏旋轉黏度計測定3種秸稈改性瀝青膠漿及70# 基質瀝青在110、135、150、170 ℃的黏度。

1.2.2 紅外光譜試驗

采用便攜式瀝青紅外光譜儀分別掃描不同摻量的秸稈改性瀝青膠漿,所測波長范圍為4 000～400 cm-1,并設置70# 基質瀝青作為對比組。

1.2.3 掃描電鏡試驗

掃描電子顯微鏡可以直觀地看到瀝青膠漿表面凸凹不平的微觀形貌。利用掃描電子顯微鏡對3種不同摻量的秸稈改性瀝青膠漿以及70# 基質瀝青的微觀形貌進行觀測。

2 結果與討論

2.1 秸稈改性瀝青膠漿的黏溫特性分析

為研究不同秸稈對瀝青黏溫特性的影響,對不同秸稈改性瀝青膠漿及70# 基質瀝青在不同溫度下的黏度進行了測試,試驗結果如圖1。

從圖1(a)可以看出,摻加纖維后,在110 ℃時秸稈改性瀝青膠漿的黏度顯著提升,主要是因為秸稈中的纖維豐富,進入瀝青后,其粉末纖維在瀝青內部起到了阻礙轉子旋轉的“加筋”作用[12]。秸稈中的纖維有較強吸油性,使瀝青中油分含量降低,促使秸稈改性瀝青膠漿的流動性降低,進而黏度增高。在秸稈摻量相同的條件下,3種秸稈改性瀝青膠漿的黏度值差異明顯,其中水稻對于瀝青黏度的影響最大,這是由于相較于小麥和玉米秸稈,水稻秸稈纖維的表面更為粗糙,對于油分的吸附能力更強。3種秸稈改性瀝青膠漿和基質瀝青的黏度都隨溫度的上升而下降,在110～135 ℃瀝青膠漿黏度下降速率快,在135～170 ℃瀝青黏度下降平緩,最后都趨于統一。這是由于當溫度過高時,秸稈改性瀝青膠漿中的纖維結構受高溫而破壞,使得秸稈改性瀝青膠漿黏度與基質瀝青黏度相近。由于秸稈改性瀝青膠漿的黏度較大,相較于一般瀝青混合料,3種秸稈瀝青混合料的攪拌、鋪設溫度都應該適當地提高,其中水稻秸稈對瀝青黏度的影響最大,所以水稻秸稈瀝青混合料的攪拌、鋪設溫度應稍高于小麥、玉米秸稈改性瀝青混合料。

如圖1(b)～圖1(d),當秸稈摻量為2%時,3種秸稈改性瀝青膠漿在110 ℃時黏度出現一定幅度的增加。在摻量從2%增至3%后,3種秸稈改性瀝青膠漿的黏度相對于基質瀝青的增幅有一定的提升。當摻量為2%和3%時,由于秸稈纖維摻量較少,秸稈纖維在進入瀝青后,被瀝青充分包裹,其在瀝青膠漿中起到了加筋的作用,同時吸附瀝青中的油分使得瀝青流動性降低,此時由于摻量較低,纖維之間彼此接觸較少。當秸稈摻量為5%時,瀝青膠漿黏度的增幅十分顯著。這是由于隨著摻量的提升,除了纖維自身的加強作用增加外,纖維與纖維之間接觸的幾率增大,局部相互聯系形成網格,從單個“加筋”變成網絡,起到了串聯骨架的作用,瀝青膠漿的黏度大幅提升。值得注意的是,集聚過密容易產生部分成團集束,所以摻量不是越大越好。而隨著溫度的升高,秸稈摻量對瀝青黏度的影響程度逐漸變小。這是因為在110 ℃時由于瀝青溫度偏低,流動性較差,其與秸稈纖維的黏結作用阻礙了轉子的轉動,隨著溫度的升高,瀝青的流動性增加,這一黏結效果減弱;在秸稈摻量增加后,瀝青與秸稈間的聯系增強,吸附的油分增大,引起了瀝青的黏度增大。但是,當摻量超過一定范圍時,瀝青的黏度較高不易于試驗的開展。因此,在施工中,秸稈摻量應控制在一個合理的范圍內,且應該相應地提高施工溫度。

擬合不同秸稈改性瀝青膠漿的黏溫指數(VTS),對秸稈改性瀝青膠漿進行溫度敏感性評估,并構建了回歸方程,計算結果如表2。從表2可以看出,秸稈的種類和摻量在一定程度上影響瀝青的溫度敏感性。其中5%水稻、2%小麥、5%玉米秸稈改性瀝青膠漿在同一組分中的VTS絕對值最小。對比基質瀝青,摻入秸稈纖維后瀝青膠漿的VTS值增大,溫度敏感性得到改善,其原因是由于瀝青中的油分被秸稈纖維吸附,瀝青的熱運動受到阻礙,瀝青浸潤和吸附在纖維表面提高了瀝青膠漿的抗高溫變形能力和溫度敏感性。當摻量從2%提高到5%,水稻、小麥、玉米3種瀝青膠漿的VTS變化幅度分別為3.8%、0.5%和3.2%。同時,隨著摻量的提升,水稻秸稈的VTS值變化平穩,其他兩組分中VST值波動較大。無論是對于瀝青膠漿的溫度敏感性改善效果,還是對于改善效果的穩定性,水稻秸稈均優于另外兩組。由于水稻秸稈的外觀較小麥和玉米秸稈更為粗糙,表面凹凸不平且分布有大量溝槽,所以表面積更大,對瀝青中的油分等輕組分有更強的吸附作用,對瀝青膠漿的抗高溫變形能力和溫度敏感性提升更大。

表2 不同秸稈改性瀝青膠漿的溫度敏感性指標

2.2 紅外光譜分析

采用紅外光譜儀對不同秸稈類型和摻量的秸稈改性瀝青膠漿進行紅外分析,如圖2。

圖2 秸稈改性瀝青膠漿紅外光譜

從圖2可以看出,不同摻量的3種秸稈改性瀝青膠漿基本呈現出統一的規律,70# 基質瀝青和3種摻量的3種秸稈改性瀝青膠漿的峰值位置大致相同,峰面積有所差異代表了不同官能團含量的不同。

以水稻秸稈為例,與70# 基質瀝青紅外光譜圖相比發現,水稻秸稈的摻入使基質瀝青在波長4 000～3 000 cm-1之間的炔烴≡C—H官能團斷裂。2 950 cm-1附近出現吸收峰為烷烴C—H的伸縮振動;亞甲基 —CH2— 不對稱伸縮的振動位于2 925 cm-1附近;2 855.1 cm-1附近的起伏是因為受到亞甲基 —CH2— 對稱伸縮的影響;在1 700 cm-1附近,由于秸稈改性瀝青攪拌過程中加熱氧化,使瀝青中羰基C=O的含量增加;1 534.8 cm-1附近芳香烴中C=C伸縮振動;亞甲基 —CH2— 剪式振動在1 458.7 cm-1附近出現。

玉米和小麥的紅外光譜圖吸收峰位置和水稻基本一致,主要是峰的大小有所差異,簡單的紅外峰值分析很難細分出瀝青的具體的結構。為了更深層探索秸稈對基質瀝青的改性作用,以紅外波長為2 000～600 cm-1面積為基底,對不同秸稈改性瀝青膠漿的官能團變化進行計算,結果如圖3。

圖3 秸稈改性瀝青膠漿官能團指數

從圖3可以看出,與基質瀝青相比,水稻秸稈改性瀝青膠漿的羰基指數有較小增幅,在2%、3%、5%的摻量下分別增加了53.5%、33.2%、81.1%;芳環指數有較大增幅,在2%、3%、5%的摻量下分別增加了113.1%、139.2%、113.5%;亞砜基指數及脂肪族指數均呈下跌趨勢,亞砜基指數降幅較大,在2%、3%、5%的摻量下分別降低了26.5%、24.7%、18.4%;脂肪族指數降幅較小,在2%、3%、5%的摻量下分別降低了0.66%、4.82%、4.84%。

瀝青的老化過程中,羰基和亞砜基指數會隨著瀝青老化的程度增大而增大。摻加秸稈纖維后,與基質瀝青相比,水稻秸稈改性瀝青膠漿羰基指數的增長幅度很小,并且亞砜基指數有所下降。分析表明,在瀝青的老化過程中,水稻秸稈的添加減緩了瀝青老化速度。

瀝青質是芳香環物質,芳環官能團存在于高分子鏈上,不能自由旋轉,使分子鏈剛性增大,瀝青抗外力變形能力也隨之提高[13]。在基質瀝青摻入水稻秸稈后,芳環指數有較大的增幅,說明隨著秸稈的摻入,瀝青膠漿中的油分被吸附,以瀝青質為代表的芳環含量提高,水稻秸稈改性瀝青膠漿的高溫穩定性提高;脂肪族指數的降低是由于在高溫氧化過程中,脂肪族化合物發生了斷鏈反應,導致脂肪族指數降低。同時,瀝青成分中的脂肪族鏈和芳環含量越高,表明瀝青整體穩定性越高,組分越穩定,瀝青膠漿的黏度越大。脂肪族指數雖然有所下降,但芳環指數的大幅度增長彌補了脂肪族下降的一部分,說明水稻秸稈改性瀝青組分是穩定的,其黏度也隨秸稈的添加而增大。

小麥、玉米秸稈改性瀝青膠漿紅外光譜如圖3(b)、圖3(c)。兩者官能團的分布趨勢與水稻秸稈改性瀝青膠漿基本一致,但芳環指數和脂肪族指數略小于水稻秸稈。瀝青成分中的脂肪族鏈和芳環含量越高,表明瀝青整體穩定性越高,所以水稻秸稈改性瀝青膠漿的黏度要高于小麥、玉米秸稈改性瀝青膠漿。

羰基的增長和亞砜基的降低說明了秸稈的摻入可以提高瀝青的抗老化能力。芳環指數的大幅度增長使得秸稈改性瀝青膠漿的高溫穩定性增強。

2.3 瀝青膠漿微觀形貌特性

利用掃描電鏡獲得秸稈改性瀝青膠漿的微觀形貌,并與基質瀝青、SBS改性瀝青進行對比,如圖4。

圖4 秸稈改性瀝青膠漿和基質瀝青的SEM圖

從圖4(a)～ 圖4 (b)可見,基質瀝青均質性較好且微觀形貌較為致密光滑。相對于基質瀝青,SBS改性瀝青的微觀形狀更加均勻,表面網狀結構清晰,且有交錯分布,呈現出“均相”的結構。在2%摻量的水稻秸稈改性瀝青膠漿中〔圖4(c)〕,瀝青內部秸稈分散的間距比較大,在基質瀝青中沒有很好的搭接效果,此時的秸稈纖維沒有搭建起網絡,起到的阻礙作用較小。當水稻秸稈的摻量達到3%時,由于摻量的增加,水稻秸稈之間的間距減小,局部的纖維開始相互搭接,形成加強結構,但是沒有相互聯系形成網絡,此時的瀝青膠漿黏度相較于2%水稻秸稈雖然有提升,但提升有限。當摻量達到5%時,水稻秸稈在瀝青中的分布不再如2%和3%摻量時的較大間距,而是如圖4(e)左下方,局部地區的秸稈纖維相互搭接,形成網絡,起到了串聯骨架的作用。由于“網絡”的形成,秸稈纖維的強度大幅提高,此時秸稈纖維對瀝青膠漿的加強效果最好。但是摻量的提高會帶來局部呈現“集團”狀,導致瀝青膠漿內部出現搭接不均的現象。圖4(f)為圖4(e)上部中間放大10 000倍的結果,由圖4(f)可以明顯看出,此處的秸稈纖維集聚過多,在瀝青膠漿內形成集團空洞,影響水稻秸稈在瀝青內部的加筋阻裂作用,降低了秸稈改性瀝青膠漿的抗拉強度。這種集團空洞在5%摻量的瀝青膠漿中出現得很少,主要還是秸稈纖維相互搭接形成網絡加強結構發揮作用,所以秸稈纖維的摻量應不宜過高,其合理摻量建議為5%以內。

由圖4(g)～ 圖4 (h)可見,瀝青膠漿中玉米和小麥秸稈纖維的分布情況沒有3%摻量的水稻秸稈分布均勻,并且產生部分成團集束,使瀝青內部形成了局部薄弱區域,導致秸稈改性瀝青膠漿的抗拉強度降低。水稻秸稈改性瀝青膠漿的性能要優于小麥秸稈和玉米秸稈。

秸稈纖維的摻入使瀝青內部穩定性得到提高,秸稈纖維在進入瀝青后相互搭接形成網絡加強結構,發揮“加筋”作用。秸稈摻量的多少影響秸稈在瀝青內部的分布。當秸稈纖維分布均勻時,秸稈被瀝青充分包裹,此時秸稈對瀝青的“加筋”效果最佳。

3 結 論

筆者為探究秸稈改性瀝青膠漿的黏溫特性及改性機理,選取3種秸稈纖維,通過布氏旋轉黏度試驗、紅外光譜和掃描電鏡分析來展開研究,結論如下:

1)秸稈纖維的添加提高了瀝青膠漿的黏度,水稻秸稈對瀝青膠漿黏度增幅的影響大于玉米秸稈和小麥秸稈,且增幅的差異隨著溫度的提升而減小。瀝青膠漿的黏度隨著秸稈摻量的增加而增大,應適當提高秸稈改性瀝青混合料的拌合溫度。

2)3種秸稈改性瀝青膠漿紅外光譜的吸收峰基本一致,且同70# 基質瀝青相比并未形成新的吸收峰。秸稈纖維與70# 基質瀝青的作用屬于物理融合,瀝青膠漿的黏結性能主要依靠秸稈纖維與瀝青的物理黏結。秸稈進入瀝青后吸附油分,以瀝青質為代表的芳環指數上升,瀝青膠漿的黏度提升。

3)秸稈摻量顯著影響其在瀝青中的分布特性。在秸稈摻量為3%時,瀝青中的秸稈纖維呈均勻分布,秸稈被瀝青充分包裹;當秸稈摻量為5%時,秸稈纖維相互搭接形成網絡加強結構,發揮“加筋”作用;同時過高的摻量會導致瀝青膠漿內部纖維形成集團空洞,降低瀝青的抗拉強度,建議秸稈摻量控制在5%以內。