纳米植物灰分改性沥青性能研究

作者简介：

李志民（1988—），硕士，工程师，主要从事路桥施工管理工作。

摘要：为了研究植物灰分在公路工程沥青改性中应用的可行性，文章选取稻壳、蔗渣、小麦秸秆三种农作物废料，制备纳米级稻壳灰（RHA）、蔗渣灰（SCBA）、小麦秸秆灰（WSA），并结合植物灰分特性，分析植物灰分对沥青常规指标、储存稳定性以及PG分级高温指标等的影响。结果显示：植物灰分提高了沥青软化点，降低了针入度、延度;植物灰分改性沥青具有较好的储存稳定性，但掺量不宜过大;加入植物灰分后，沥青高温分级等级可提高1～2个等级。经综合分析，植物灰分具有应用于沥青改性的可行性，推荐RHA、SCBA、WSA最佳掺量分别为6%、6%、4%。

关键词：道路工程;沥青;沥青混合料;纳米植物灰分;稻壳;蔗渣;小麦秸秆

中国分类号：U416.03A200734

0 引言

我国作为农业大国，每年工农业生产中会产生大量农作物废料，包括但不限于各类农作物秸秆、蔗渣、稻壳、椰糠等。大量农业废弃物的处治成为一大难题，部分被直接燃烧（少量被用于燃烧发电）也加重了环境污染，同时燃烧后灰分也会对土壤、水体等造成污染[1-2]。相应地，上述作物废料在燃烧后也会产生大量残留灰分，这是前述处治及环境污染问题产生的原因。近期，研究人员采用农作物灰分作为混凝土中补充胶凝材料，研究表明稻壳灰（RHA）、蔗渣灰（SCBA）和麦秸灰（WSA）具有火山灰类材料性质，可以改善混凝土力学和耐久性能。因此，鉴于水泥类材料在沥青改性方面的广泛应用，可考虑将上述废灰用于消耗量巨大的沥青改性应用，以达到废料综合利用的目的。

基于上述研究思路，有部分研究者采用植物纤维、植物纤维灰进行了沥青或沥青混合料改性研究。如Liu等制备得到絮状竹纤维，研究表明竹纤维可以有效降低沥青温度敏感性，对应混合料具有良好的路用性能，且能延缓混合料裂缝的发展，是代替木质素纤维的潜在替代品[3]。Mongkol等研究了蔗渣和椰糠替代矿粉对沥青混合料和易性影响，结果表明采用20%掺量（占沥青体积百分比）与石灰岩矿粉沥青胶浆黏度相当，且对应沥青混合料部分马歇尔技术指标较为接近[4]。Li等对蔗渣纤维改性沥青混合料进行研究，表明其可以改善沥青混合料路用性能，且与木质素纤维沥青混合料路用性能相当[5]。李振霞等介绍了玉米秸秆制备工艺，探讨了其沥青改性机理，混合料试验表明其与木质素纤维改性效果相当，且具有变异性更小的高低温性能改善效果[6]。[JP+1]相关编译成果研究了纤维素灰（来源于纸浆厂树皮和碎木材等燃烧后的灰烬）对沥青混合料性能抗老化性能的影响，并提出“相对浓度”概念，指出当掺加量在相对浓度范围内可使抗老化性能提高45.3～48.6%[7]。另外，随着材料科技发展，纳米材料也逐渐被应用于沥青改性技术。纳米金属氧化物（TiO2、ZnO、SiO2等）、纳米无机材料（碳纳米管、纳米黏土）等被证实对沥青部分性能具有良好的改善效果。

综合分析，上述研究大部分偏向于作物纤维改性沥青技术，对已被燃烧处治的植物灰分改性研究相对较少。同时，基于纳米材料在沥青改性技术方面的优良表现，可考虑将植物灰分进行纳米化加工，然后分析其在沥青改性方面的可行性。基于此，本文重点分析纳米植物灰分对沥青关键性能指标影响，为植物废料處治及后续深入研究提供参考。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

沥青选用埃索70#基质沥青，相关技术指标如表1所示。

选取稻壳、蔗渣、小麦秸秆三种植物废料，分别采用马弗炉在500 ℃条件下制备成稻壳灰（RHA）、蔗渣灰（SCBA）、小麦秸秆灰（WSA）等三类植物废灰。去除杂质后过0.075 mm筛孔备用。采用球磨机将农作物废灰进行纳米化制备，球磨机作业参数为：400 r/min干燥研磨2～3 h，球料比为10∶1。

1.2 改性沥青制备

基质沥青加热熔融至163 ℃备用，将前述三种不同掺量（2%、4%、6%）纳米材料分别添加到基质沥青中，采用高速剪切机进行剪切拌和，剪切速率为3 000 r/min，剪切60 min。

1.3 试验方案

首先拟对植物灰分作用机理进行研究，即对植物灰分进行粒径、物相等分析，并对植物灰分改性沥青红外光谱特性与基质沥青的进行对比。然后研究不同掺量灰分对沥青针入度、延度及软化点以及储存稳定性的影响。最后，基于动态剪切流变仪（DSR）对植物灰分改性沥青流变特性进行分析，以探究其是否具备工程应用可行性。

2 改性沥青作用机理

2.1 植物灰分特性分析

采用粒度分析仪、X射线衍射仪分别对研磨制备的纳米农作物废灰进行粒度、物相分析（非晶态或结晶态）。具体试验参数如下：

（1）粒度分析：以蒸馏水为分散剂（折射率RI为1.33），测试样品浸入分散剂后，在30 ℃的条件下使用超声波对颗粒分离10 min。调整悬浊液温度至25 ℃，采用动态光散射法进行纳米颗粒粒径分析。

（2）X射线衍射：采用Bruker D8 X射线衍射仪（铜靶，λ=1.541 8），测试扫描角度（2θ）范围为10°～85°，扫描速率为0.025°/0.4 s，测试温度均为25 ℃。

粒度测试结果显示，RHA、WSA和SCBA三种纳米材料平均粒径分别为28.21 nm、31.37 nm和24.66 nm，表明制备工艺可使废弃作物灰分达到纳米级尺寸要求（1～100 nm）。

对三种纳米灰分进行物相分析（如图1所示），结果显示其主要成分为无定形二氧化硅。分析显示，RHA和SCBA在2θ为22°存在较宽峰值，表明存在大量无定形二氧化硅。但二者在2θ为26.7°附近存在强烈峰值，表明RHA和SCBA也存在一定量结晶态二氧化硅。通过结晶度测算，RHA、SCBA和WSA结晶度分别为7.40%、8.57%和13.93%。

2.2 傅里叶红外光谱分析

采用红外光谱（FTIR）对三种植物灰分改性沥青进行化学成分分析，将测试样品溶于5%二硫化碳溶液中，并滴取一滴至溴化钾压片上，压片厚度控制在150 μm。待二硫化碳完全挥发后进行测试，在400～4 000 cm-1波长范围内扫描32次。各试样红外光谱图对比如图2所示。

对比各试样光谱图，各试样光谱峰值位置与大小几乎一致，且相较基质沥青并未形成新的官能团，对应峰以及相关峰值消失，表明纳米灰分加入改性沥青后未发生化学反应，仅存在物理共混作用。

3 沥青性能指标影响

3.1 常规性能指标

对各沥青试样进行针入度、延度、软化点等常规指标试验，试验结果如表2所示。

经分析可知：

（1）相较基质沥青，加入纳米灰分后改性沥青针入度减小、软化点增大。除6%WSA外，沥青针入度随纳米灰分掺量增加逐渐减小、软化点则逐渐增大，表明纳米灰分提高了沥青稠度与高温稳定性。但当WSA掺量为6%时针入度显著增大、软化点显著减小，可能是由于高掺量秸秆灰分易发生团聚，减弱了对沥青的吸附与加强效果，进而表现为针入度增大、软化点降低。

（2）加入纳米灰分后，沥青延度逐渐降低，且除6%WSA外，掺量越大各试样延度越小。这与纳米灰分对沥青的硬化作用有关，纳米灰分加入后吸附沥青形成沥青胶浆，增强了沥青稠度与高温性能的同时，使沥青硬度变大，分散的纳米颗粒也阻断了原沥青内部的延展性。而6%WSA由于团聚效应，分散效果较差，从而对沥青延度影响也较小。

3.2 储存稳定性

储存稳定性试验是评估沥青特别是改性沥青是否具备长距离运输及长时间储存的重要依据。稳定性良好是改性沥青工厂化生产的必要条件，我国规范要求高聚物改性沥青离析软化点差应控制在2.5 ℃以内。为保证纳米材料加入沥青后在高温状态下不发生离析，对各改性沥青试样进行储存稳定性试验。首先将试样装入直径为25 m、高度为140 mm铝管，然后在163±5 ℃环境中竖直存放48 h。之后取出并立即放入7 ℃冰箱冷却4 h±5 min。4 h后，将试管从冰箱中取出，切成三等份。取铝管顶部与底部试样进行软化点试验，测算出二者软化点差。参照高聚物储存稳定性要求，各沥青试样离析软化点差试验结果如图3所示。

经分析可知：相较基质沥青，加入纳米灰分后，改性沥青离析软化点差均增大，且除SCBA改性沥青各掺量软化点差均为0.8 ℃外，其余试样随着纳米灰分掺量增大，离析软化点差增大。这可能是由于纳米材料比表面积高，掺量越大材料发生团聚可能性增加，进而导致储存稳定性降低。另外，除6%WSA外，其余各沥青试样储存稳定性均满足规范要求（≤2.5 ℃）。

3.3 PG高温分级分析

前期探索性试验表明，加入植物灰分后，可在一定程度上提高沥青复数剪切模量G*，降低相位角δ，这与大部分改性物质对沥青流变特性影响一致，本文不再赘述。为进一步研究植物灰分对沥青性能的影响，参照superpave有关PG分级标准，研究植物灰分对PG分级高温指标的影响。

根据DSR测试要求，由于PG分级测试温度>46 ℃，因此采用直径为25 mm、间隙为1 mm的测试板。采用应变控制模式，改性沥青试样采用2%应变控制水平，基质沥青采用10%应变控制水平，测试频率为10 Hz。当车辙因子G*/sinδ下降至1 kPa时，自动记录为失效温度，作为PG分级高温温度等级划分依据。各试样高温失效温度测试结果如图4所示。

根据Superpave标准，沥青高温失效温度定义为未老化沥青车辙因子G*/sinδ<1 kPa（或老化沥青<2.2 kPa）时的对应温度。PG分级等级以6 ℃为步长进行划分，如基质沥青试样失效温度为61.2 ℃，对应高温等级为PG58。为对比分析，各试样高温等级汇总如表3所示。

除6%WSA外，随着纳米灰分掺量的增大，三种改性沥青失效温度均逐渐增大，且所有试样PG高温等级均较基质沥青提高1～2个等级。其中，6%RHA、4%WSA高温等级均达到PG70，表明RHA与WSA可使沥青具有良好的高温性能。

4 结语

将三种植物废料加工制备成纳米灰分，通过对植物灰分特性以及植物灰分对沥青常规指标、储存稳定性和PG分级高温等级的影响进行研究，得到如下结论：

（1）与基质沥青相比，纳米植物灰分改性沥青针入度、延度降低，软化点增加，表明纳米废弃植物灰分的掺入对沥青具有硬化作用。

（2）离析软化点差试验表明，除6%WSA外，植物灰分改性沥青具有较好的储存稳定性，具备长距离运输及长时间储存潜力。

（3）基于PG分级高温分级要求，加入植物灰分后，沥青高温分级等级可提高1～2个等级，表明沥青高温性能得到有效增强。

（4）沥青改性时，植物灰分掺量过大会造成团聚，推荐RHA、SCBA、WSA最佳掺量分别为6%、6%、4%。

参考文献：

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