硅藻土改性生物瀝青的黏附性研究

關(guān)鍵詞：道路工程；生物瀝青；硅藻土；黏附性；表面自由能；改進(jìn)水煮法

中圖分類(lèi)號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-582X（2025）01-098-09

隨著我國(guó)公路網(wǎng)建設(shè)的逐漸完善，公路石油瀝青消耗量巨大，石油資源的再生周期漫長(zhǎng)，且原油加工過(guò)程會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大污染。所以，尋求石油瀝青的可替代材料對(duì)于道路建設(shè)領(lǐng)域有著重大的意義[1] 。生物質(zhì)油與石油瀝青共混得到的生物瀝青，相較于傳統(tǒng)石油瀝青具有可再生、價(jià)格低廉、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)[2]。但眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，生物瀝青與集料的黏附性較差，限制了生物瀝青的進(jìn)一步應(yīng)用[3?7]。若能克服這一性能缺陷，就能使生物瀝青的實(shí)際工程應(yīng)用得到進(jìn)一步推廣。

目前，研究者也開(kāi)始著力于改善生物瀝青與集料的黏附性能。馬明洋[8]在生物瀝青中加入了SBS，生物瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到顯著提升。曹羽[9]在研究蓖麻油（SHB）與玉米油（DC）為來(lái)源的生物瀝青時(shí)，對(duì)其運(yùn)用SBS、膠粉進(jìn)行復(fù)合改性，DC、SHB及復(fù)合改性生物瀝青在水煮試驗(yàn)中均表現(xiàn)良好。季坤等[10]將生物瀝青與TLA 湖瀝青進(jìn)行混合改性，改性瀝青混合料展現(xiàn)出極佳的水穩(wěn)定性。馮學(xué)茂等[11]在生物瀝青中添加了有機(jī)化蒙脫土，發(fā)現(xiàn)其黏度達(dá)到基質(zhì)瀝青的2倍以上，但低溫性能會(huì)受到影響。綜上所述，目前改善生物瀝青黏附性的手段存在成本偏高，可能影響生物瀝青低溫性能的缺點(diǎn)，而硅藻土作為一種無(wú)機(jī)材料，具有價(jià)格低廉、多孔、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)[12?13]，研究表明硅藻土能夠提升增強(qiáng)瀝青混合料的高溫、低溫和水穩(wěn)定性[14?16]，但硅藻土在生物瀝青中尚未得到應(yīng)用。文中擬采用硅藻土作為改性劑，探究不同摻量下硅藻土對(duì)生物瀝青與集料黏附性的影響。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料

1）生物質(zhì)油：研究所采用的生物質(zhì)油來(lái)源于河北某生物質(zhì)能源企業(yè)，其原料為木屑，常溫下為黑色膏狀物。

2）石油瀝青：70#鑫海石油瀝青，技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004）的規(guī)定，如表1所示。

3）硅藻土：研究采用的硅藻土來(lái)源于青島盛泰硅業(yè)有限公司，顏色為灰白色，pH值為5～7，SiO₂≥85%，含有少量的FeO₂、Al₂O₃。

1.2試樣制備

研究中，生物質(zhì)油摻量為石油瀝青質(zhì)量的10%。首先，將石油瀝青放入恒溫烘箱內(nèi)，待石油瀝青被加熱達(dá)到流動(dòng)態(tài)后，將預(yù)熱至110 ℃的生物質(zhì)油勻速地加入至石油瀝青中，在135 ℃、3000r/min 的條件下，剪切30min制備得到生物瀝青：再分別以石油瀝青質(zhì)量的11%、13%、15%、17% 和19% 的硅藻土加入到生物瀝青中，繼續(xù)剪切20min 得到硅藻土改性生物瀝青，在制備過(guò)程中使用玻璃棒不斷攪拌混合。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1常規(guī)性能試驗(yàn)

對(duì)不同摻量硅藻土制備得到的硅藻土改性生物瀝青進(jìn)行25 ℃針入度、軟化點(diǎn)與10 ℃延度等基本物理性能指標(biāo)試驗(yàn)，分別按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG-E20-2011）中T0604、T0606和T0605進(jìn)行。

1.3.2布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

采用布洛克菲爾德黏度儀（Brookfield DV-Il+Pro型）對(duì)基質(zhì)瀝青、生物瀝青（BIO）和硅藻土改性生物瀝青在135、145、155、165 、175 ℃進(jìn)行黏度測(cè)試，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG-E20-2011）中T0625進(jìn)行。

1.3.3改進(jìn)水煮法試驗(yàn)

傳統(tǒng)水煮法試驗(yàn)難以精確掌控，評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)法定量且主觀影響很大[17] 。研究基于傳統(tǒng)水煮法試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，以連續(xù)性試驗(yàn)（3、6、9、12、15 min）方法測(cè)定硅藻土改性生物瀝青與集料在水煮試驗(yàn)中的瀝青質(zhì)量變化情況，并以基質(zhì)瀝青、生物瀝青作為對(duì)照組。試驗(yàn)采用的集料為石灰?guī)r，每次試驗(yàn)5 組，結(jié)果取平均值。在石料裹覆瀝青后，需放涼冷卻至室溫并去除多余瀝青，同時(shí)在水煮過(guò)程中用紙片或玻璃棒對(duì)剝落瀝青進(jìn)行處理，防止剝落的懸浮瀝青對(duì)石料重新裹覆，影響試驗(yàn)結(jié)果。

按照公式（1）計(jì)算得到瀝青的質(zhì)量損失率F（%），參考瀝青黏附性分級(jí)表評(píng)價(jià)硅藻土改性生物瀝青與集料的黏附性能。瀝青黏附分級(jí)表，如表2所示。

式中：M₁為石料初始質(zhì)量；M₂為石料裹覆瀝青冷卻后的質(zhì)量；M₃為水煮試驗(yàn)后石料干燥冷卻的質(zhì)量。

1.3.4接觸角試驗(yàn)

采用躺滴法對(duì)瀝青表面能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。將制備好的硅藻土改性生物瀝青用玻璃棒滴到載玻片上，將載玻片放置于加熱爐上使瀝青加熱達(dá)到流動(dòng)態(tài)，使瀝青在載玻片上形成光滑的平面，在瀝青冷卻后，放置于干燥無(wú)塵的容器中，即可獲得接觸角試件。

采用DAS30接觸角測(cè)定儀測(cè)定25 ℃下蒸餾水、甲酰胺和乙二醇3 種測(cè)試液體與瀝青的接觸角，測(cè)試過(guò)程如圖1和圖2所示，3種測(cè)試液體的表面能，如表3 所示。

2結(jié)果與討論

2.1三大指標(biāo)分析

瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度等指標(biāo)分別對(duì)瀝青的稠度、高溫穩(wěn)定性與塑性等進(jìn)行表征。不同摻量的硅藻土對(duì)生物瀝青三大指標(biāo)影響結(jié)果，如表4所示。

針入度能夠反映瀝青自身的稠度，是我國(guó)瀝青標(biāo)號(hào)劃分的主要依據(jù)。結(jié)果表明，隨著硅藻土摻量的增大，針入度逐步下降。表1和表4表明，在11%的硅藻土摻量下，改性生物瀝青針入度已小于基質(zhì)瀝青。

軟化點(diǎn)是反映石油瀝青高溫性能的重要指標(biāo)，軟化點(diǎn)越高，說(shuō)明瀝青的熱穩(wěn)定性能越好?？梢钥闯?，隨著硅藻土摻量的增加，改性生物瀝青的軟化點(diǎn)逐漸升高，高溫性能得到提升，但增長(zhǎng)趨勢(shì)較為平緩，相較于原生物瀝青的軟化點(diǎn)提升了7%左右。

延度是反映瀝青低溫性能的重要指標(biāo)，延度越大，瀝青的低溫性能越好。結(jié)合表1 和表4 可以看出，生物質(zhì)油的摻加使瀝青的延度有所下降，硅藻土的加入使延度下降幅度進(jìn)一步加大，在摻量超過(guò)15% 后，延度略微提升。主要原因是硅藻土的改性過(guò)程僅在瀝青中進(jìn)行分散，與聚合物改性劑在瀝青中發(fā)生交聯(lián)作用不同，硅藻土在瀝青中以微粒的形式存在，延度試驗(yàn)中瀝青被拉伸，硅藻土微粒會(huì)使瀝青產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致瀝青過(guò)早發(fā)生斷裂[19]。

2.2布氏旋轉(zhuǎn)黏度結(jié)果分析

瀝青作為一種黏彈性材料，其黏度對(duì)溫度十分敏感，是影響瀝青膠結(jié)料與集料之間黏附性的重要因素之一。瀝青自身黏度的增大有利于增強(qiáng)自身與集料之間黏附性，因?yàn)闉r青黏度越大說(shuō)明其重質(zhì)組分含量越多，與集料的化學(xué)吸附能力越強(qiáng)，會(huì)使集料表面的瀝青膜有效厚度增大[20]。不同摻量硅藻土對(duì)生物瀝青黏度的影響情況，如圖3 所示。由圖3 可知，加入生物質(zhì)油后，生物瀝青的黏度相較于基質(zhì)瀝青有了較大程度的降低，原因是生物油的加入使瀝青整體輕質(zhì)組分占比例提升所致。通過(guò)黏度變化可以發(fā)現(xiàn)，生物瀝青的黏度隨著硅藻土摻量的增加而增大，在135 ℃、145 ℃下，11%摻量時(shí)的硅藻土改性生物瀝青的黏度已與基質(zhì)瀝青相近。從黏度增長(zhǎng)趨勢(shì)來(lái)看，硅藻土摻量超過(guò)17%后，黏度幾乎不再增大，所以硅藻土摻量不宜超過(guò)17%。

2.3改進(jìn)水煮法試驗(yàn)結(jié)果分析

各組生物瀝青水煮試驗(yàn)結(jié)果，如表5所示。

由表5 可知，水煮時(shí)間為3min時(shí)，各組瀝青的剝落質(zhì)量差別不大，黏附等級(jí)均為9級(jí)及以上。但隨著水煮時(shí)間的不斷加長(zhǎng)，質(zhì)量損失逐漸增多，黏附等級(jí)開(kāi)始降低，BIO與其他各組瀝青的差距逐漸被拉大。當(dāng)水煮時(shí)間到達(dá)15min時(shí)，BIO+17% 的質(zhì)量損失率相較于BIO降低了36.44%，這表明硅藻土能夠顯著提升生物瀝青與集料的黏附性。各組瀝青與集料黏附等級(jí)大小排序?yàn)?7%＞15%≈19%＞13%≈11%≈70#鑫海＞BIO，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)硅藻土的摻量為17%時(shí)，生物瀝青的質(zhì)量損失率達(dá)到最小；但摻量的繼續(xù)增大并沒(méi)有使質(zhì)量損失率降低，說(shuō)明硅藻土能夠提升生物瀝青與集料的黏附性能并存在最佳摻量。

2.4表面能結(jié)果分析

通過(guò)測(cè)試得到的接觸角，計(jì)算出不同硅藻土摻量下生物瀝青的表面能、極性分量與色散分量。結(jié)合楊氏方程計(jì)算得到生物瀝青的黏聚功W_cohesion、生物瀝青與集料的黏附功W_as與剝落功W_asw，采用無(wú)量綱能量參數(shù)ER對(duì)生物瀝青-集料界面體系的水穩(wěn)定性進(jìn)行綜合全面地評(píng)價(jià)，ER 如公式（2）所示，ER 的值越大表示生物瀝青-集料體系的抗水損害能力越強(qiáng)。

2.4.1表面能及其分量

根據(jù)測(cè)試得到液體與瀝青的接觸角與測(cè)試液體的表面能參數(shù)，可得到各組生物瀝青的表面能參數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

表面能越大，生成新界面所需要的能量越多；色散分量越大，物理黏附性能越好；極性分量越大，瀝青越容易遭到水分浸入，從集料表面剝離。由圖4可以看出，在加入了生物質(zhì)油后，生物瀝青相較于基質(zhì)瀝青有一定程度的降低，而硅藻土的加入使生物瀝青表面能得到提升，摻加了17%硅藻土后的表面能相較于基質(zhì)瀝青與生物瀝青分別提高了67.7%與137.1%。因此，硅藻土的加入使生物瀝青具有更好的抗水損害能力。

2.4.2黏聚功、黏附功與剝落功

瀝青黏聚功是指將單位面積的瀝青分為2個(gè)表面的能量，黏聚功越大，瀝青抵抗水分的能力越強(qiáng)。由于黏聚功在數(shù)值上為表面自由能的2倍，黏聚功與表面自由能的變化趨勢(shì)相同。由圖5可知，在17%摻量時(shí)硅藻土改性瀝青表現(xiàn)出更強(qiáng)的自聚力，有著較好的抗開(kāi)裂能力，推測(cè)原因是硅藻土具有較大的比表面積，微孔結(jié)構(gòu)也有利于瀝青的吸附和濕潤(rùn)，能夠提高硅藻土與瀝青之間的黏結(jié)力。

黏附功是指無(wú)水條件下瀝青與集料兩個(gè)表面體系結(jié)合成為一個(gè)表面體系所釋放出的能量，黏附功越大表明體系越穩(wěn)定，瀝青混合料的水穩(wěn)定性越好。由圖6 可知，基質(zhì)瀝青與石灰?guī)r的黏附功為121.1 mJ/m²，而在加入了生物質(zhì)油后黏附功下降了約12.2%，表明生物質(zhì)油對(duì)瀝青-集料體系的穩(wěn)定性有削弱作用。硅藻土的加入，使生物瀝青的黏附功迅速得到提升，在17%摻量時(shí)，黏附功達(dá)到138.8mJ/m²，相較于基質(zhì)瀝青與生物瀝青分別提升了約14.6%與28.6%，硅藻土改性生物瀝青與集料表現(xiàn)出較好的黏附性能。原因是硅藻土的微孔結(jié)構(gòu)相當(dāng)于微毛細(xì)管，會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)作用，從而增加了瀝青的界面作用力，增強(qiáng)了黏附性能[21]。

剝落功表征的是有水條件下瀝青-集料-水3種體系的作用過(guò)程，剝落功越大則表明水分更容易替代瀝青膜，瀝青與集料的黏結(jié)效果更差。從圖7中可以看出，生物瀝青的剝落功隨著硅藻土摻量的增加先下降后提高，17%摻量時(shí)的剝落功相較于基質(zhì)瀝青與生物瀝青下降了約17.1% 和27.4%，說(shuō)明硅藻土降低了生物瀝青的水分敏感性。

2.4.3ER值

以能量參數(shù)ER作為體系的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)公式（2）計(jì)算得到的ER 值，如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)，生物瀝青的能量參數(shù)ER 相較于基質(zhì)瀝青降低了15.7%，在硅藻土摻量達(dá)到13%時(shí)的ER反超基質(zhì)瀝青。隨著硅藻土摻量的逐漸增加，ER值在17%摻量時(shí)達(dá)到最大，而后略微下降，這與黏聚功、黏附功趨勢(shì)相同。所以，硅藻土摻加量為17%時(shí)，能最大程度提升生物瀝青-集料-水體系的穩(wěn)定性，提高生物瀝青混合料抵御水損害的能力，延長(zhǎng)路面服務(wù)壽命。

3結(jié)論

1）硅藻土能夠改善生物瀝青的物理性能，改性生物瀝青的針入度下降，軟化點(diǎn)提升約7%，而延度先降低后提升。

2）改性生物瀝青的黏度隨著硅藻土摻量的增加而增大，但在摻量超過(guò)17%后，黏度幾乎不再增大。

3）硅藻土能夠提升生物瀝青與集料的黏附性，17% 硅藻土摻量時(shí)的改進(jìn)水煮試驗(yàn)中的瀝青質(zhì)量損失率相較于原生物瀝青下降了36.44%。

4）相較于生物瀝青，17% 硅藻土摻量時(shí)的改性生物瀝青的表面能和黏聚功提高了137.1%，黏附功提高了28.6%，而剝落功下降了27.4%，ER值達(dá)到最大。