水稻秸秆纤维沥青胶浆高低温性能及机理研究

2022-08-05程培峰张开元王聪常志伟

应用化工 2022年6期

程培峰，张开元，王聪，常志伟

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040；2.黑龙江省八达路桥建设有限公司，黑龙江哈尔滨 150006)

纤维的掺加能够影响沥青胶浆的高低温性能[1-6]。黑龙江是农业大省，每年产生的大量水稻秸秆废料没有得到有效利用，将秸秆制备成纤维加入到路面材料中，具有显著的经济和社会效益，可为国家的重点工作“碳达峰、碳中和”做出贡献[7-10]。

本文采用实验室制备的水稻秸秆纤维样品，在对其物化性能测试的基础上，对纤维沥青胶浆进行了研究，并与木质素纤维进行了对比[11-13]，系统分析水稻秸秆纤维对沥青胶浆性能的改善作用，并应用红外光谱和扫描电镜实验从微观角度进一步研究了水稻秸秆纤维的作用机理。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

沥青及矿粉技术指标见表1、表2，纤维技术指标见表3，水稻秸秆纤维见图1。

表1 90#基质沥青技术指标

表2 矿粉技术指标

表3 纤维技术指标

WSY-026数显式沥青针入度测定仪；MCR302型高级旋转流变仪；CANNON TE-BBR低温弯曲梁流变仪；Nicoletis 50型FTIR仪；JSM-7500F扫描电子显微镜。

图1 水稻秸秆纤维Fig.1 Rice straw fiber

1.2 试样制备

文献表明[14]，纤维掺量一般为沥青混合料总质量的0～0.4%左右时，纤维在沥青混合料中可保证较好的分散效果，因此，经计算纤维占沥青胶浆的比例应为0～4%。通过制备粉胶比为1.2的1%～4%掺量的水稻秸秆纤维沥青胶浆与3%木质素纤维掺量的沥青胶浆(掺量均为占沥青胶浆质量比例)，分析掺入纤维对沥青胶浆性能的影响。

1.3 实验方法

沥青胶浆的锥入度实验通过将沥青针入度仪的标准针换为标准锥进行，实验温度为15～40 ℃。在温度范围64～82 ℃，温度间隔6 ℃条件下进行温度扫描实验，试件直径25 mm，实验板间隙(1.000±0.005) mm，加载方式为正弦波，加载频率为10 rad/s。在-6，-12，-18 ℃温度条件下进行沥青胶浆的低温弯曲实验，通过加载60 s时，沥青胶浆的蠕变速率(m)与蠕变劲度模量(S)值对沥青胶浆的低温性能进行评价。采用红外光谱进行特征官能团的分析。对沥青试样进行扫描电镜测试，分析纤维在沥青胶浆中分布情况和作用机理。

2 结果与讨论

2.1 抗剪强度结果分析

通过实验得到沥青胶浆的锥入度，按式(1)计算抗剪强度。

τ=[981Qcos2(α/2)]/[πh2tan(α/2)]

(1)

式中τ——抗剪强度，kPa；

Q——贯入质量，107.6 g；

α——锥角，30°；

h——锥入度，0.1 mm。

抗剪强度结果见表4。

由表4可知，同一温度下，掺量水稻秸秆纤维后，胶浆的抗剪强度逐渐增大，当掺量从1%增加到3%时，胶浆的抗剪强度显著升高，这是由于水稻秸秆纤维的加入可以吸附沥青，增加胶浆的粘度，纤维在胶浆中搭接成三维网状结构，抑制了胶浆的塑性流动，增强了沥青胶浆的高温抗变形能力，而从3%增加到4%时，其抗剪强度提升并不明显，这是由于水稻秸秆纤维在胶浆中掺量过大时会出现凝聚现象，降低了纤维的增韧作用，因此水稻秸秆纤维在胶浆中的合理掺量为2%～3%。在15～40 ℃纤维掺量同为3%的情况下，水稻秸秆纤维沥青胶浆的抗剪强度平均比木质素纤维沥青胶浆高出了27%，这是由于水稻秸秆纤维的长径比更大，且韧性强于木质素纤维，在胶浆中的增韧稳定作用强于木质素纤维。

表4 纤维沥青胶浆抗剪强度

2.2 高温流变性能分析

纤维沥青胶浆的复数剪切模量G*、车辙因子G*/sinδ及相位角δ结果见图2、图3。

图2 不同水稻秸秆纤维掺量的温度-复数剪切模量Fig.2 Temperature-complex shear modulus of different rice straw fiber content

图3 3种胶浆的温度-车辙因子与相位角(3%掺量)Fig.3 Temperature-rutting factor and phase angle of three kinds of mortar

由图2可知，胶浆的复数剪切模量随纤维掺量的增多而增大,随温度的升高而降低。这是由于沥青胶浆作为一种具有粘弹特性的材料[14]，其变形能力可通过复数剪切模量G*(θ)表示，而G*(θ)是由粘度η、弹性模量G及剪切振动频率θ计算得到的。根据复合材料力学原理[15]，胶浆的弹性模量G可表示为:

G=G1α+Gaβ+Gmγ

(2)

式中G1——纤维弹性模量,MPa;

Ga——沥青弹性模量，MPa；

Gm——矿粉弹性模量，MPa；

α，β，γ——纤维与沥青及矿粉的体积分数，%。

由此可知，在相同的剪切振动频率θ下，沥青胶浆的复数剪切模量取决于材料的粘度η和弹性模量G，加入纤维后，增加了沥青胶浆的粘度和弹性模量，使沥青胶浆的复数剪切模量增大，提高了其高温抗变形能力。

由图3可知，在纤维用量同为3%的情况下，水稻秸秆纤维胶浆的车辙因子比木质素纤维平均高出20.6%，这是由于水稻秸秆纤维具有一定的强度和韧性，其弹性模量大于木质素纤维，因此其抗车辙能力大于木质素纤维。掺加纤维后，胶浆的相位角δ显著降低，剪切模量弹性分量增强。水稻秸秆纤维沥青胶浆的温度-相位角曲线平均斜率小于木质素纤维和无纤维胶浆，说明水稻秸秆纤维沥青胶浆的温度敏感性小。

2.3 低温抗裂性能分析

通过BBR实验可以得到弯曲蠕变劲度模量S与蠕变速率m值，对沥青胶浆的低温性能进行评价。沥青胶浆的S值越小、m值越大，沥青胶浆的柔性及松弛能力越好。但仅仅采用S、m值评价沥青胶浆的低温性能存在局限性，引入低温系数(k=S/m)对沥青胶浆的低温性能进行评价，k值越小，沥青胶浆的低温抗裂性越好[16]，不同纤维掺量下沥青胶浆的BBR实验结果见图4、图5。

图4 不同水稻秸秆纤维掺量下的沥青胶浆S、m值Fig.4 S and m value of asphalt mortar under different rice straw fiber content

图5 不同纤维沥青胶浆的k值(3%掺量)Fig.5 k value of different fiber asphalt mortar

由图4可知，随着掺量的增加，胶浆的S值逐渐增加，m值逐渐减小，说明纤维的加入对沥青胶浆的低温性能有不利影响，这是由于纤维吸附胶浆中的自由沥青使得沥青组分中的结构沥青增多，限制了其流动性，使得沥青变稠变硬，从而限制了沥青胶浆的低温蠕变行为，因此纤维掺量不宜过大。图中曲线斜率在掺量超过3%后明显增大，说明纤维掺量不宜超过3%。由图5可知，纤维沥青胶浆的k值高于无纤维沥青胶浆，说明加入纤维后沥青胶浆柔性降低。相同掺量下水稻秸秆纤维胶浆k值小于木质素纤维，说明水稻秸秆纤维沥青胶浆的低温抗裂性更好，这是由于水稻秸秆纤维材料具有较好的抗拉强度和柔韧性，在沥青胶浆中起到加筋和增韧的作用，增加了其抗裂强度。

2.4 红外光谱分析

基于红外光谱法对水稻秸秆纤维与沥青胶浆的共混机理进行分析，结果见图6。

图6 水稻秸秆纤维及纤维沥青胶浆的红外光谱图Fig.6 Infrared spectra of rice straw fiber and fiber asphalt mortar

由图6可知，2 922 cm-1处的峰是纤维素的特征峰；在1 735 cm-1处的峰是果胶的特征峰；1 320 cm-1处的峰属于木质素的特征峰；1 030 cm-1处是纤维素和半纤维素的特征峰[12]，由此可知水稻秸秆纤维的化学成分主要为纤维素、半纤维素和木质素。沥青胶浆分子结构比较复杂，大量波峰存在于1 500～600 cm-1的指纹区。纤维及沥青的主要特征峰及所对应的波数见表5。

表5 红外光谱中主要特征峰及所对应的波数

由图6和表5可知，纤维沥青胶浆并没有出现新的吸收谱峰，表明添加纤维后没有发生化学反应，未生成新的官能团，因此水稻秸秆纤维对沥青胶浆的增强作用以物理作用(如粘结、桥接等)为主。同时发现，纤维的加入增强沥青胶浆的波峰，这是由于纤维改性时，沥青的组分有所改变而导致的。

2.5 微观分析

水稻秸秆纤维SEM图见图7a，水稻秸秆纤维呈细长条状，长径比较大，纤维之间易搭接，单个纤维表面沟壑不平，且内部存在空隙，是有利于吸附沥青、增大沥青与矿料间粘结力的优质材料。无纤维胶浆的沥青与矿料的粘结界面见图7b，矿料之间有大量空隙，矿料与沥青之间粘结并不紧密，在温度升高和受到水流冲刷或拉力作用时，沥青易从矿料表面剥落。在沥青胶浆中加入稻秸秆纤维后，纤维-沥青界面见图7c，纤维在沥青中互相搭接，形成了三维网状结构，纤维表面充分吸附了自由沥青形成结构沥青，使沥青膜变厚。纤维表面存在大小不一的触角，可以增大比表面积，形成较大的沥青-纤维界面，加强沥青的粘结力。

a.水稻秸秆纤维

b.无纤维沥青胶浆

c.水稻秸秆纤维与沥青裹附情况

d.水稻秸秆纤维桥接作用

e.水稻秸秆纤维断裂面

f.纤维结团现象图7 纤维沥青胶浆微观形貌图Fig.7 Microscopictopography of fiber asphalt mortar

取水稻秸秆纤维沥青胶浆中纤维与沥青的连接处进行分析，见图7d，纤维与沥青之间浸润结合的很好，由界面浸润理论[17]可知，纤维和沥青液相之间主要通过机械连结和润湿吸附结合，纤维两端的沥青相互连接，形成了桥接纤维，两者之间形成了类似于机械之间的锚固作用，使得纤维不易从沥青中拔出，增强了界面结合处的粘结强度。提取拉拔实验试件破坏断裂界面处的沥青胶浆进行观察，见图7e，纤维根部被吸附于沥青内部，纤维顶端断口形状不规则，说明纤维在胶浆拉伸破坏时受到力的作用，内部应力传递到了纤维上，实现了纤维的阻裂功能。由图7f可得，纤维掺量过多且在实验中分散不均匀时，纤维易结团，影响受力均匀性，增韧作用会大大减弱，所以在实际运用中纤维掺量不宜过多。综上所述，纤维在沥青中的主要作用机理包括增粘、稳定、加筋、桥接、阻裂作用等，宏观上表现为纤维与沥青的粘结强度提高，可以有效抑制沥青胶浆内部微裂纹的扩展。