有機(jī)蒙脫土/木質(zhì)纖維復(fù)合改性瀝青性能研究

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

摘要：為研究有機(jī)蒙脫土與木質(zhì)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(jī)蒙脫土/木質(zhì)纖維復(fù)合改性瀝青（OMFA），采用動態(tài)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(jié)果表明：有機(jī)蒙脫土和木質(zhì)纖維均能改善瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性；與采用單一改性（有機(jī)蒙脫土或木質(zhì)纖維）的瀝青相比，OMFA的流變性能均有明顯提高，即有機(jī)蒙脫土與木質(zhì)纖維的協(xié)同作用使得瀝青性能進(jìn)一步增強(qiáng)，且有機(jī)蒙脫土、木質(zhì)纖維與瀝青的耦合作用為物理反應(yīng)。

關(guān)鍵詞：道路工程；改性瀝青；有機(jī)蒙脫土；木質(zhì)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(yōu)于基質(zhì)瀝青^[3-5]。然而，蒙脫土作為無機(jī)材料具有親水性，而瀝青作為有機(jī)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(jīng)有機(jī)改性轉(zhuǎn)化為親有機(jī)物的有機(jī)蒙脫土，以此提高瀝青與有機(jī)蒙脫土的相容性。木質(zhì)纖維是能在瀝青材料中發(fā)揮改性效果的一種功能性纖維材料，主要應(yīng)用于SMA、多孔透水瀝青路面中^[6]。木質(zhì)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(fā)展和擴(kuò)張等現(xiàn)象的發(fā)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(jī)蒙脫土在瀝青改性的應(yīng)用已有大量研究，但對于木質(zhì)纖維的研究主要是在瀝青混合料層面，關(guān)于有機(jī)蒙脫土與木質(zhì)纖維在瀝青中耦合作用研究尚未見報道。有機(jī)蒙脫土與瀝青形成的剝落結(jié)構(gòu)可改善其高溫性能，且木質(zhì)纖維在瀝青中的吸附、加筋作用能提高瀝青的力學(xué)性能，即有機(jī)蒙脫土與木質(zhì)纖維的復(fù)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(jī)蒙脫土與木質(zhì)纖維耦合作用對瀝青的影響，對復(fù)合改性瀝青新材料的開發(fā)與應(yīng)用具有指導(dǎo)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(zhì)瀝青，其性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)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(zhì)纖維，有機(jī)蒙脫土則是由浙江某材料公司提供，二者的性能指標(biāo)如表2和表3所示。

1.2 改性瀝青制備

在制備有機(jī)蒙脫土/木質(zhì)纖維復(fù)合改性瀝青（OMFA）的過程之前，先將有機(jī)蒙脫土與木質(zhì)纖維在135 ℃的烘箱內(nèi)干燥5 h，同時將瀝青加熱至熔融狀態(tài)。隨后，稱取定量的有機(jī)蒙脫土和木質(zhì)纖維，先添加有機(jī)蒙脫土到瀝青中，采用高速剪切儀對其進(jìn)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(zhì)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(zhì)瀝青重量的比值。同時對基質(zhì)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(jié)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(zhì)瀝青在內(nèi)共10種瀝青進(jìn)行試驗，其中有機(jī)蒙脫土摻量設(shè)置為1%、2%和3%，木質(zhì)纖維摻量設(shè)置為1%和2%。開展動態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗中的溫度掃描試驗，溫度區(qū)間設(shè)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。基于彎曲梁流變儀（BBR）試驗，測試溫度為-12 ℃，低溫指標(biāo)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(jié)果與討論

2.1 DSR指標(biāo)

為評價OMFA的高溫穩(wěn)定性，開展DSR試驗中的溫度掃描試驗對10種瀝青進(jìn)行測試，試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，與基質(zhì)瀝青相比，OM1和L1的車轍因子均有所提高，這說明木質(zhì)纖維和有機(jī)蒙脫土的添加均能改善瀝青的高溫穩(wěn)定性，而有機(jī)蒙脫土比木質(zhì)纖維對瀝青的高溫性能提升更加顯著。這是因為有機(jī)蒙脫土能在瀝青基體中形成剝離結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)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(jī)蒙脫土能占據(jù)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(zhì)纖維能在瀝青基體中形成纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(jī)蒙脫土和木質(zhì)纖維的耦合作用優(yōu)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(yīng)注意控制有機(jī)蒙脫土的摻量。在木質(zhì)纖維為2%的條件下，有機(jī)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(jī)蒙脫土在瀝青基體中易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使得改性劑對OMFA的高溫性能改善效果下降。

2.2 BBR指標(biāo)

為評價OMFA的低溫抗裂性能，基于BBR試驗對10種瀝青進(jìn)行測試，BBR試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，與基質(zhì)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(jī)蒙脫土和木質(zhì)纖維均能改善瀝青的低溫性能，而木質(zhì)纖維的改善效果比有機(jī)蒙脫土更佳。這是因為木質(zhì)纖維的加筋作用能降低瀝青的溫度應(yīng)力，防止其微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)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(jī)蒙脫土和木質(zhì)纖維的復(fù)合改性進(jìn)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(jī)蒙脫土和木質(zhì)纖維的復(fù)合改性對瀝青低溫性能的改善機(jī)理可以歸納為兩點：（1）有機(jī)蒙脫土的片層結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)瀝青的力學(xué)性能，使得進(jìn)入瀝青基體中的木質(zhì)纖維固化效果更強(qiáng)，導(dǎo)致瀝青的粘聚力提高、粘膠效果更強(qiáng)，從而改善了瀝青的低溫性能；（2）有機(jī)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(jié)過程中三者的接觸界面更加緊密，其塑性層厚度增強(qiáng)，該塑性層能在低溫下降低瀝青受到的溫度應(yīng)力，同時也能降低三者的界面應(yīng)力，從而改善瀝青材料的低溫性能。此外，與DSR試驗結(jié)果相似，過量的有機(jī)蒙脫土在瀝青基體中易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)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(zhì)瀝青、OM1、L1和OMFA+L1的FTIR試驗結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，有機(jī)蒙脫土改性瀝青的化學(xué)組成與基質(zhì)瀝青相似，未出現(xiàn)新的官能團(tuán)。這說明有機(jī)蒙脫土與基質(zhì)瀝青之間是物理反應(yīng)，并未出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。與基質(zhì)瀝青相比，L1和OM1+L1的官能團(tuán)組成也相似，唯一不同的是L1和OM1+L1在1 040 cm^-1處出現(xiàn)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(xiàn)的原因并非是木質(zhì)纖維與瀝青發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，而是因為木質(zhì)纖維的主要成分包括葡萄糖基，其在1 050 cm^-1附近會產(chǎn)生由O-C-O鍵伸縮振動所引發(fā)的特征峰，且該峰在OMFA中僅發(fā)生了位置變化，即是在1 040 cm^-1處產(chǎn)生。綜上所述，有機(jī)蒙脫土、木質(zhì)纖維和基質(zhì)瀝青在混合過程中沒有出現(xiàn)新的吸收特征峰，說明三者之間的混合是物理反應(yīng)，并沒有發(fā)生真正的化學(xué)反應(yīng)。

圖5 FTIR試驗結(jié)果示意圖

基于OMFA的FTIR試驗結(jié)果，以特征吸收峰的強(qiáng)度來表征改性劑摻量及其均勻性的關(guān)系。分別通過1 450 cm^-1和1 040 cm^-1的特征峰強(qiáng)度來反映瀝青與木質(zhì)纖維的相對比例，并將1 040 cm^-1的特征峰強(qiáng)度與1 450 cm^-1的特征峰強(qiáng)度比值反映改性瀝青中木質(zhì)纖維的相對比例與均勻關(guān)系，試驗結(jié)果如表5所示，將波長比與木質(zhì)纖維摻量進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，特征吸收峰強(qiáng)度比與木質(zhì)纖維摻量呈現(xiàn)線性關(guān)系，木質(zhì)纖維越大特征峰強(qiáng)度比越大，說明木質(zhì)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(xù)需進(jìn)一步調(diào)整改性劑摻量，建立改性劑摻量與改性瀝青均勻性的關(guān)系模型。

3 結(jié)語

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

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

（3）有機(jī)蒙脫土、木質(zhì)纖維與基質(zhì)瀝青的混合方式為物理反應(yīng)，后續(xù)應(yīng)開展更多微觀試驗來表征三者的耦合作用與改性機(jī)理。

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