有機蒙脫土/木質纖維復合改性瀝青性能研究

作者簡介：韋遠明（1990—），工程師，主要從事工程管理、工程監理、試驗檢測等工作。

摘要：為研究有機蒙脫土與木質纖維的耦合作用對瀝青性能的影響，文章通過制備不同摻量下的有機蒙脫土/木質纖維復合改性瀝青（OMFA），采用動態剪切流變儀（DSR）試驗、彎曲梁流變儀（BBR）試驗和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）試驗，研究OMFA的高低溫流變性能與微觀組成。試驗結果表明：有機蒙脫土和木質纖維均能改善瀝青的高溫穩定性和低溫抗裂性；與采用單一改性（有機蒙脫土或木質纖維）的瀝青相比，OMFA的流變性能均有明顯提高，即有機蒙脫土與木質纖維的協同作用使得瀝青性能進一步增強，且有機蒙脫土、木質纖維與瀝青的耦合作用為物理反應。

關鍵詞：道路工程；改性瀝青；有機蒙脫土；木質纖維；流變性能

中圖分類號：U416.03

0 引言

作為瀝青改性劑之一的蒙脫土屬于層狀硅酸鹽，其與瀝青混合后，大量交換陽離子能嵌入到蒙脫土的夾層中^[1-2]。研究表明蒙脫土改性瀝青的抗疲勞性能、高溫性能和抗老化性能均優于基質瀝青^[3-5]。然而，蒙脫土作為無機材料具有親水性，而瀝青作為有機物與疏水性材料的相容性較好，與親水材料的相容性較差。因此，目前常將親水的蒙脫土經有機改性轉化為親有機物的有機蒙脫土，以此提高瀝青與有機蒙脫土的相容性。木質纖維是能在瀝青材料中發揮改性效果的一種功能性纖維材料，主要應用于SMA、多孔透水瀝青路面中^[6]。木質纖維能通過自身的加筋、吸附和溶脹等作用來降低瀝青路面中裂縫發展和擴張等現象的發生率，同時還能改善瀝青路面的高溫抗車轍性能和疲勞性能，以此延長瀝青材料的耐久性^[7-8]。

綜上所述，盡管目前對于有機蒙脫土在瀝青改性的應用已有大量研究，但對于木質纖維的研究主要是在瀝青混合料層面，關于有機蒙脫土與木質纖維在瀝青中耦合作用研究尚未見報道。有機蒙脫土與瀝青形成的剝落結構可改善其高溫性能，且木質纖維在瀝青中的吸附、加筋作用能提高瀝青的力學性能，即有機蒙脫土與木質纖維的復合改性對瀝青性能在理論上具有改善效益。因此，本文研究有機蒙脫土與木質纖維耦合作用對瀝青的影響，對復合改性瀝青新材料的開發與應用具有指導意義。

1 試驗材料和試驗方案

1.1 原材料

采用70號A級道路石油瀝青作為基質瀝青，其性能指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004），如表1所示。選用由南京某科技公司提供的顆粒狀木質纖維，有機蒙脫土則是由浙江某材料公司提供，二者的性能指標如表2和表3所示。

1.2 改性瀝青制備

在制備有機蒙脫土/木質纖維復合改性瀝青（OMFA）的過程之前，先將有機蒙脫土與木質纖維在135 ℃的烘箱內干燥5 h，同時將瀝青加熱至熔融狀態。隨后，稱取定量的有機蒙脫土和木質纖維，先添加有機蒙脫土到瀝青中，采用高速剪切儀對其進行剪切，剪切溫度、剪切時間和剪切速率分別為140 ℃、30 min和3 500 r/min。待剪切完成后再加入木質纖維，按照相同的剪切條件對其處理以此制備OMFA，其中改性劑的摻量為改性劑重量與基質瀝青重量的比值。同時對基質瀝青也按照相同的制備過程處理，以減少剪切熱老化對試驗結果的干擾，本文制備的改性瀝青類型如表4所示。

1.3 試驗方案

本文制備包括基質瀝青在內共10種瀝青進行試驗，其中有機蒙脫土摻量設置為1%、2%和3%，木質纖維摻量設置為1%和2%。開展動態剪切流變儀（DSR）試驗中的溫度掃描試驗，溫度區間設置為46 ℃～82 ℃，計算64 ℃條件下的車轍因子，分析改性瀝青的高溫流變性能，其中瀝青試樣分為未老化瀝青與短期老化瀝青?；趶澢毫髯儍x（BBR）試驗，測試溫度為-12 ℃，低溫指標選擇為蠕變勁度和m值，來評價改性瀝青的低溫流變性能，其中瀝青試樣均為長期老化后的瀝青。

2 結果與討論

2.1 DSR指標

為評價OMFA的高溫穩定性，開展DSR試驗中的溫度掃描試驗對10種瀝青進行測試，試驗結果如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，與基質瀝青相比，OM1和L1的車轍因子均有所提高，這說明木質纖維和有機蒙脫土的添加均能改善瀝青的高溫穩定性，而有機蒙脫土比木質纖維對瀝青的高溫性能提升更加顯著。這是因為有機蒙脫土能在瀝青基體中形成剝離結構，這種結構能阻礙瀝青分子在高溫下的流動變形。同時，分散在瀝青基體中的有機蒙脫土能占據瀝青分子之間的部分自由體積，改善瀝青的抗剪切變形能力。此外，木質纖維能在瀝青基體中形成纖維網絡結構，進一步改善瀝青的高溫性能。

同時，由圖1和圖2可知，與單一改性瀝青相比，OMFA的車轍因子更高，即有機蒙脫土和木質纖維的耦合作用優于單一改性的高溫提升效果。隨著改性劑摻量的提升，改性瀝青的車轍因子有所上升，但應注意控制有機蒙脫土的摻量。在木質纖維為2%的條件下，有機蒙脫土摻量從1%增加到3%，OMFA的車轍因子先上升后減少，即OM2+L2的車轍因子低于OM1+L2和OM3+L2，這是因為過量的有機蒙脫土在瀝青基體中易發生團聚現象，使得改性劑對OMFA的高溫性能改善效果下降。

2.2 BBR指標

為評價OMFA的低溫抗裂性能，基于BBR試驗對10種瀝青進行測試，BBR試驗結果如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，與基質瀝青相比，OM1和OM2的蠕變勁度略有降低，m值略微增加，而L1和L2的蠕變勁度降低、m值增加更顯著。這說明有機蒙脫土和木質纖維均能改善瀝青的低溫性能，而木質纖維的改善效果比有機蒙脫土更佳。這是因為木質纖維的加筋作用能降低瀝青的溫度應力，防止其微裂縫的產生和擴展，從而改善瀝青的低溫性能。與單一改性瀝青相比，OMFA的蠕變勁度更低且m值更高，說明有機蒙脫土和木質纖維的復合改性進一步改善了瀝青的低溫性能，這也證明二者的耦合作用比單一改性對瀝青性能的提升效果更佳。有機蒙脫土和木質纖維的復合改性對瀝青低溫性能的改善機理可以歸納為兩點：（1）有機蒙脫土的片層結構能增強瀝青的力學性能，使得進入瀝青基體中的木質纖維固化效果更強，導致瀝青的粘聚力提高、粘膠效果更強，從而改善了瀝青的低溫性能；（2）有機蒙脫土屬于納米材料，在瀝青基體中能吸附在纖維表面，與瀝青粘結過程中三者的接觸界面更加緊密，其塑性層厚度增強，該塑性層能在低溫下降低瀝青受到的溫度應力，同時也能降低三者的界面應力，從而改善瀝青材料的低溫性能。此外，與DSR試驗結果相似，過量的有機蒙脫土在瀝青基體中易發生團聚現象，使得改性劑對OMFA的低溫性能改善效果下降。

2.3 微觀分析

以1%摻量為例，研究基質瀝青、OM1、L1和OMFA+L1的FTIR試驗結果如圖5所示。從圖5可以看出，有機蒙脫土改性瀝青的化學組成與基質瀝青相似，未出現新的官能團。這說明有機蒙脫土與基質瀝青之間是物理反應，并未出現化學反應。與基質瀝青相比，L1和OM1+L1的官能團組成也相似，唯一不同的是L1和OM1+L1在1 040 cm^-1處出現新的特征峰，該特征峰是由O-C-O鍵的伸縮振動引起。該特征峰出現的原因并非是木質纖維與瀝青發生了化學反應，而是因為木質纖維的主要成分包括葡萄糖基，其在1 050 cm^-1附近會產生由O-C-O鍵伸縮振動所引發的特征峰，且該峰在OMFA中僅發生了位置變化，即是在1 040 cm^-1處產生。綜上所述，有機蒙脫土、木質纖維和基質瀝青在混合過程中沒有出現新的吸收特征峰，說明三者之間的混合是物理反應，并沒有發生真正的化學反應。

圖5 FTIR試驗結果示意圖

基于OMFA的FTIR試驗結果，以特征吸收峰的強度來表征改性劑摻量及其均勻性的關系。分別通過1 450 cm^-1和1 040 cm^-1的特征峰強度來反映瀝青與木質纖維的相對比例，并將1 040 cm^-1的特征峰強度與1 450 cm^-1的特征峰強度比值反映改性瀝青中木質纖維的相對比例與均勻關系，試驗結果如表5所示，將波長比與木質纖維摻量進行線性擬合，結果如圖6所示。由圖6可知，特征吸收峰強度比與木質纖維摻量呈現線性關系，木質纖維越大特征峰強度比越大，說明木質纖維能在瀝青中均勻分布，即定量評價改性劑的均勻分散性，后續需進一步調整改性劑摻量，建立改性劑摻量與改性瀝青均勻性的關系模型。

3 結語

（1）DSR試驗結果表明，有機蒙脫土與木質纖維均能改善瀝青的高溫穩定性，且二者的復合改性比單一改性的高溫提升效果更加明顯。若有機蒙脫土摻量過高（＞2%），其在瀝青基體中易發生團聚，使得高溫性能下降。

（2）BBR試驗結果表明，有機蒙脫土對瀝青低溫性能改善效果不明顯，而木質纖維能顯著改善瀝青低溫抗裂性，二者的復合改性對瀝青低溫性能的改善效果優于單一木質纖維的改善效果。若有機蒙脫土摻量過高（＞2%）易發生團聚，使得其對木質纖維的激發效果下降。

（3）有機蒙脫土、木質纖維與基質瀝青的混合方式為物理反應，后續應開展更多微觀試驗來表征三者的耦合作用與改性機理。

參考文獻：

[1]梁 波，張寬寬，張海濤.氨基硅烷-蒙脫土/SBS改性瀝青與改性集料的黏附性能[J].湖南大學學報（自然科學版），2023，50（3）：195-205.

[2]金 嬌，劉墨晗，劉 帥，等.基于生態路面減排理念下的CeO2柱撐蒙脫土改性瀝青及其催化性能研究[J].材料導報，2022，36（16）：30-36.

[3]程 帥，曾尚恒，邵子奇，等.硅藻土與蒙脫土協同改善SBS改性瀝青性能的研究[J].材料科學與工藝，2023，31（2）：37-43.

[4]黃建云.納米OMMT復配改性瀝青流變特性及改性機理[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2021，44（11）：1 518-1 524.

[5]馮學茂，張宇豪，韋 慧，等.有機化蒙脫土改性生物瀝青的流變性能研究[J].鐵道科學與工程學報，2021，18（3）：687-694.

[6]方正直，周 沖.道路透水瀝青混合料改性試驗研究[J].山東交通科技，2023，194（1）：40-43.

[7]郭 鵬，謝鳳章，孟建瑋，等.摻改性木質纖維瀝青及SMA-13瀝青混合料性能研究[J].應用化工，2020，49（7）：1 634-1 637.

[8]彭 坤.外摻纖維對瀝青混合料高溫性能的影響[J].交通世界，2021，574（16）：135-137.