硅藻土對生物瀝青流變性能的影響分析

2024-01-01 00:00:00周劍鋒

西部交通科技 2024年5期

摘要：文章采用三大指標試驗、離析試驗、動態剪切流變儀（DSR）試驗和彎曲梁流變儀（BBR）試驗，對硅藻土改性生物瀝青（DBA）的物理性能和流變特性進行評價，并基于傅里葉紅外光譜（FTIR）試驗對DBA的化學組成進行分析。結果表明：硅藻土的添加能提高生物瀝青的軟化點和車轍因子，降低其針入度，即硅藻土能改善生物瀝青的高溫穩定性；硅藻土的摻入雖然增加了瀝青的蠕變勁度，降低了其m值和延度，但DBA在低溫下的流變特性仍優于基質瀝青；硅藻土、生物油和瀝青的混合是物理改性，且三者混合后具有較好的儲存穩定性。

關鍵詞：道路工程；改性瀝青；生物油；硅藻土；性能評價

U416.03A240763

0 引言

隨著瀝青路面建設和養護的快速發展，長壽命瀝青路面的耐久性研究已經廣泛開展［1-2］。瀝青路面的主要病害包括疲勞開裂、低溫開裂和車轍變形，而瀝青作為瀝青混合料的重要組成部分，其流變性能對減少路面病害起著關鍵作用［3-4］。隨著不可再生資源的消耗，可持續性公路建設的發展，尋找道路石油瀝青替代品已成為當今的研究熱點。近年來，生物油因其就地取材、成本低廉的特點而用于瀝青材料的制備，如蓖麻油、廢機油和廢食用油等［5］。然而，生物油作為石油基瀝青替代品的應用難點在于，不同種類、不同來源的生物油對石油基瀝青的流變性能影響不同，且大多數生物油對瀝青的高溫穩定性不利［6-7］。為改善生物瀝青的流變性能，眾多道路研究者開發了多種復合改性瀝青技術，但這些研究大多是針對生物瀝青單一缺陷的改性方法［8-9］。因此，開發一種具有抗車轍和耐老化好的復合生物瀝青材料具有顯著的經濟效益、環保效益和社會效益。

與當今常用的聚合物改性劑相比，硅藻土是一種低廉的無機礦物改性材料，其具有表面活性大、多孔、硬度高等特性［10］。有研究表明硅藻土可以顯著改善瀝青的高溫穩定性和抗老化性能，也被廣泛用于單一改性或復合改性瀝青技術［11］。綜上所述，雖然硅藻土改性瀝青或生物瀝青的流變性能已被廣泛研究，但針對硅藻土改性生物瀝青（DBA）的研究較少，極大地限制了生物瀝青作為石油基瀝青替代品的廣泛應用。因此，本文通過制備不同摻量下的DBA，采用一系列的瀝青試驗，如三大指標試驗、離析試驗、動態剪切流變儀（DSR）試驗、彎曲梁流變儀（BBR）試驗和傅里葉紅外光譜（FTIR）試驗等，全面評價DBA的路用性能，以此驗證其用作路面材料的可行性。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

采用湖南某材料有限公司提供的70#道路石油瀝青作為基質瀝青，其基本性能如表1所示。硅藻土購自湖南某材料有限公司，其最大粒徑為19" μm，堆積密度為0.29 g/cm3，pH值為7.2。

使用的生物油為河北某生物科技有限公司生產的蓖麻油，是由蓖麻籽在精煉蓖麻油過程中產生脂肪酸，再經過物化處理而得到的，其基本性能如表2所示。

1.2 改性瀝青制備

將基質瀝青放入烘箱加熱至流動狀態，將定量的生物油（與基質瀝青質量比分別為0、5%、10%和15%）緩慢加入到基質瀝青中，采用高速剪切儀對其在4 000 r/min的轉速下剪切30 min，剪切溫度設置為150 ℃。將定量的硅藻土（與基質瀝青質量比分別為0、4%、8%和12%）緩慢添加到生物瀝青中，再用玻璃棒手動攪拌直至硅藻土與生物瀝青混合均勻。將DBA以4 000 r/min的剪切速率剪切60 min，剪切溫度設置為160 ℃。為簡化文中有關DBA的表達，本次制備的瀝青試樣縮寫如表3所示。

1.3 試驗方法

（1）物理性能：采用針入度、軟化點、延度、儲存穩定性等一系列常規試驗對DBA的物理性能進行評價。根據AASHTO T240標準，采用旋轉薄膜烘箱試驗模擬瀝青的短期老化過程。根據AASHTO R28標準，將短期老化后的瀝青試樣在壓力老化儀中以100 ℃的溫度處理20 h，得到長期老化瀝青試樣。

（2）流變性能：基于AASHTO T315標準，對DBA的高溫流變特性采用DSR試驗的溫度掃描模式進行評價，溫度范圍為40 ℃～76 ℃，升溫速率為2 ℃/min，加載頻率為10 rad/s，在應變振蕩模式下，以12%的應變控制值，對未老化瀝青和短期老化瀝青進行了試驗。同時，為評估長期老化后DBA的低溫流變特性，進行BBR試驗并將m值和蠕變勁度作為評價指標，BBR試驗的測試溫度分別為-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃。

（3）化學性能：采用尼科萊光譜儀對瀝青的FTIR試驗結果進行分析，FTIR光譜的波數范圍為400～4 000 cm-1。

2 結果與討論

2.1 三大指標

如圖1所示為DBA的三大指標試驗結果。由圖1（a）可知，隨著生物油摻量的增加，瀝青的針入度逐漸增大，說明生物油的添加對瀝青具有軟化作用，即生物油的輕質組分能改變瀝青的四組分比例。同時，還可以發現，在生物油摻量相同的情況下，DBA的針入度隨硅藻土摻量的增加而降低，如D0/B15的針入度＞100（0.1 mm），而D12/B15的針入度＜80（0.1 mm），說明硅藻土能增加生物瀝青的剛度，提高生物瀝青的抗變形能力。這是因為硅藻土表面具有許多微孔結構，能吸收生物瀝青的輕質組分，使瀝青基體中瀝青質比例增加，從而增強瀝青的剛度。

從圖1（b）可以看出，隨著生物油摻量的增加，瀝青的軟化點逐漸降低。硅藻土摻量相同的情況下，DBA的軟化點隨生物油摻量的增加而降低。這是因為生物油中輕質組分的比例較高，添加生物油后瀝青中瀝青質的相對比例降低，瀝青基體呈溶膠型結構，從而降低了高溫穩定性。相反，隨著硅藻土摻量的增加，DBA的軟化點增大，說明硅藻土增強了生物瀝青在高溫下的抗流動變形能力。

由圖1（c）可以看出，隨著生物油摻量的增加，瀝青的延度逐漸降低，說明生物瀝青的延度低于基質瀝青。這是因為生物瀝青中含有相當多的雜質成分，導致瀝青試樣在拉伸過程中應力集中，從而降低其延度。硅藻土同時也降低了生物瀝青的延度，這是因為硅藻土的添加會使瀝青變硬。由于材料特性使得延度試驗存在應力集中現象，不能真實表征DBA的低溫流變性能，因此應通過BBR試驗進一步驗證。

2.2 高溫性能

不同摻量硅藻土+10%生物油的DBA車轍因子試驗結果如圖2所示。由圖2可以看出，無論是否進行短期老化，所有瀝青試樣的車轍因子都隨著溫度的升高而逐漸減小。這表明測試溫度越高，DBA的高溫穩定性越低。這是因為隨著溫度的升高，DBA會逐漸軟化而不利于高溫穩定性。同時，可以發現DBA的車轍因子隨硅藻土摻量的增加而增加。在相同試驗溫度下，D0/B10的車轍因子最低，D8/B10和D4/B10次之，D12/B10的車轍因子最高。這是因為硅藻土顆粒可以提高瀝青的粘聚力，還能吸收生物油中的輕質組分，從而增加瀝青剛度，改善其在高溫下抗車轍變形的能力。

2.3 低溫性能

不同摻量硅藻土+10%生物油的DBA的低溫試驗結果如圖3所示。由圖3可知，生物油的添加顯著降低了基質瀝青的蠕變勁度，增大了m值，說明生物油可以增強瀝青的低溫流變性能。還可以發現，當試驗溫度從-12 ℃降低到-24 ℃時，DBA的蠕變勁度增大，m值減小。這說明基質瀝青的低溫抗裂性隨著溫度的降低而減弱，這是由于在低溫下瀝青的黏性成分增大，而彈性成分減少所致。由此說明，溫度變化對蠕變勁度的影響比m值更為明顯，即蠕變勁度對溫度的敏感性高于m值。此外，隨著硅藻土摻量的增加，DBA的蠕變勁度增大，而m值減小。這表明硅藻土可能不利于瀝青的低溫特性，這是因為硅藻土與瀝青形成的交聯結構使瀝青變硬變脆，降低了瀝青在低溫下的應力松弛性能和抗彎曲蠕變性能。

2.4 相容性能

一般情況下，在改性或復合改性瀝青的制備和使用過程中，因改性劑與瀝青之間存在密度差，二者可能存在一定程度的相分離現象，目前一般用改性瀝青上下部分的軟化點差值來評價其儲存穩定性，DBA的離析試驗結果如表4所示。

由表4可以看出，隨著生物油摻量的增加，DBA的軟化點差值減小。當硅藻土摻量相同且生物油摻量從0到5%時，DBA的軟化點差值從1.9 ℃降低到1.1 ℃。這說明生物油的添加提高了硅藻土改性瀝青的儲存穩定性。這是因為由于生物油的稀釋作用，能使得硅藻土更均勻地分散在瀝青基體中。根據《公路水泥路基施工技術規范》（JTG F40-2004），在聚合物改性瀝青的離析試驗中，軟化點差值要求≤2.5 ℃。由表4可知，DBA的軟化點差值均＜2.5 ℃，說明DBA作為瀝青材料的儲存穩定性滿足規范要求。

2.5 化學性能

基質瀝青、生物瀝青和DBA的FTIR試驗結果如圖4所示。由圖4可知，基質瀝青的兩個主要吸收峰位于2 920 cm-1和2 850 cm-1，是由亞甲基CH2的伸縮振動所引起的，而1 600 cm-1處的吸收峰是由C=C鍵的拉伸振動引起的，1 450 cm-1和1 380 cm-1處的吸收峰分別由甲基CH3的不對稱彎曲振動和對稱彎曲振動引起。另外，1 032 cm-1處的吸收峰是由烷烴亞砜基和芳烴亞砜基的S=O拉伸振動引起的。

圖4 基質瀝青、生物油與DBA的FTIR試驗結果圖

由圖4還可知，與基質瀝青相比，生物瀝青的FTIR光譜中沒有出現新的峰，區別在于生物瀝青在1 700 cm-1處的吸收峰強度增加，這是由于C=O鍵的拉伸振動造成的。此外，可以發現DBA的FTIR光譜與另兩種瀝青相似，而DBA在1 032 cm-1處的峰值強度增加，這是由于硅藻土的Si-O拉伸振動所引起，該位置為1 032 cm-1接近Si-O吸收峰的位置，即硅藻土的FTIR光譜和基質瀝青的FTIR光譜疊加效應。綜上所述，硅藻土、生物油和瀝青之間的耦合作用主要是物理反應。

3 結語

（1）結合三大指標和DSR試驗結果表明，硅藻土能增強生物瀝青的抗高溫變形能力。

（2）硅藻土雖然增加了生物瀝青的軟化點差，但DBA的儲存穩定性仍然滿足規范要求。

（3）硅藻土的加入可能會削弱生物瀝青的低溫特性，而生物油與硅藻土的復合改性仍能顯著提高瀝青的低溫性能。

（4）FTIR試驗結果表明，DBA的官能團與基質瀝青和生物瀝青相比沒有變化，即硅藻土、生物油和瀝青基體之間的改性是物理相互作用。

參考文獻：

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