硅藻土对生物沥青流变性能的影响分析

2024-01-01周剑锋

西部交通科技 2024年5期

摘要：文章采用三大指标试验、离析试验、动态剪切流变仪（DSR）试验和弯曲梁流变仪（BBR）试验，对硅藻土改性生物沥青（DBA）的物理性能和流变特性进行评价，并基于傅里叶红外光谱（FTIR）试验对DBA的化学组成进行分析。结果表明：硅藻土的添加能提高生物沥青的软化点和车辙因子，降低其针入度，即硅藻土能改善生物沥青的高温稳定性；硅藻土的掺入虽然增加了沥青的蠕变劲度，降低了其m值和延度，但DBA在低温下的流变特性仍优于基质沥青；硅藻土、生物油和沥青的混合是物理改性，且三者混合后具有较好的储存稳定性。

关键词：道路工程；改性沥青；生物油；硅藻土；性能评价

U416.03A240763

0 引言

随着沥青路面建设和养护的快速发展，长寿命沥青路面的耐久性研究已经广泛开展［1-2］。沥青路面的主要病害包括疲劳开裂、低温开裂和车辙变形，而沥青作为沥青混合料的重要组成部分，其流变性能对减少路面病害起着关键作用［3-4］。随着不可再生资源的消耗，可持续性公路建设的发展，寻找道路石油沥青替代品已成为当今的研究热点。近年来，生物油因其就地取材、成本低廉的特点而用于沥青材料的制备，如蓖麻油、废机油和废食用油等［5］。然而，生物油作为石油基沥青替代品的应用难点在于，不同种类、不同来源的生物油对石油基沥青的流变性能影响不同，且大多数生物油对沥青的高温稳定性不利［6-7］。为改善生物沥青的流变性能，众多道路研究者开发了多种复合改性沥青技术，但这些研究大多是针对生物沥青单一缺陷的改性方法［8-9］。因此，开发一种具有抗车辙和耐老化好的复合生物沥青材料具有显著的经济效益、环保效益和社会效益。

与当今常用的聚合物改性剂相比，硅藻土是一种低廉的无机矿物改性材料，其具有表面活性大、多孔、硬度高等特性［10］。有研究表明硅藻土可以显著改善沥青的高温稳定性和抗老化性能，也被广泛用于单一改性或复合改性沥青技术［11］。综上所述，虽然硅藻土改性沥青或生物沥青的流变性能已被广泛研究，但针对硅藻土改性生物沥青（DBA）的研究较少，极大地限制了生物沥青作为石油基沥青替代品的广泛应用。因此，本文通过制备不同掺量下的DBA，采用一系列的沥青试验，如三大指标试验、离析试验、动态剪切流变仪（DSR）试验、弯曲梁流变仪（BBR）试验和傅里叶红外光谱（FTIR）试验等，全面评价DBA的路用性能，以此验证其用作路面材料的可行性。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

采用湖南某材料有限公司提供的70#道路石油沥青作为基质沥青，其基本性能如表1所示。硅藻土购自湖南某材料有限公司，其最大粒径为19" μm，堆积密度为0.29 g/cm3，pH值为7.2。

使用的生物油为河北某生物科技有限公司生产的蓖麻油，是由蓖麻籽在精炼蓖麻油过程中产生脂肪酸，再经过物化处理而得到的，其基本性能如表2所示。

1.2 改性沥青制备

将基质沥青放入烘箱加热至流动状态，将定量的生物油（与基质沥青质量比分别为0、5%、10%和15%）缓慢加入到基质沥青中，采用高速剪切仪对其在4 000 r/min的转速下剪切30 min，剪切温度设置为150 ℃。将定量的硅藻土（与基质沥青质量比分别为0、4%、8%和12%）缓慢添加到生物沥青中，再用玻璃棒手动搅拌直至硅藻土与生物沥青混合均匀。将DBA以4 000 r/min的剪切速率剪切60 min，剪切温度设置为160 ℃。为简化文中有关DBA的表达，本次制备的沥青试样缩写如表3所示。

1.3 试验方法

（1）物理性能：采用针入度、软化点、延度、储存稳定性等一系列常规试验对DBA的物理性能进行评价。根据AASHTO T240标准，采用旋转薄膜烘箱试验模拟沥青的短期老化过程。根据AASHTO R28标准，将短期老化后的沥青试样在压力老化仪中以100 ℃的温度处理20 h，得到长期老化沥青试样。

（2）流变性能：基于AASHTO T315标准，对DBA的高温流变特性采用DSR试验的温度扫描模式进行评价，温度范围为40 ℃～76 ℃，升温速率为2 ℃/min，加载频率为10 rad/s，在应变振荡模式下，以12%的应变控制值，对未老化沥青和短期老化沥青进行了试验。同时，为评估长期老化后DBA的低温流变特性，进行BBR试验并将m值和蠕变劲度作为评价指标，BBR试验的测试温度分别为-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃。

（3）化学性能：采用尼科莱光谱仪对沥青的FTIR试验结果进行分析，FTIR光谱的波数范围为400～4 000 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 三大指标

如图1所示为DBA的三大指标试验结果。由图1（a）可知，随着生物油掺量的增加，沥青的针入度逐渐增大，说明生物油的添加对沥青具有软化作用，即生物油的轻质组分能改变沥青的四组分比例。同时，还可以发现，在生物油掺量相同的情况下，DBA的针入度随硅藻土掺量的增加而降低，如D0/B15的针入度＞100（0.1 mm），而D12/B15的针入度＜80（0.1 mm），说明硅藻土能增加生物沥青的刚度，提高生物沥青的抗变形能力。这是因为硅藻土表面具有许多微孔结构，能吸收生物沥青的轻质组分，使沥青基体中沥青质比例增加，从而增强沥青的刚度。

从图1（b）可以看出，随着生物油掺量的增加，沥青的软化点逐渐降低。硅藻土掺量相同的情况下，DBA的软化点随生物油掺量的增加而降低。这是因为生物油中轻质组分的比例较高，添加生物油后沥青中沥青质的相对比例降低，沥青基体呈溶胶型结构，从而降低了高温稳定性。相反，随着硅藻土掺量的增加，DBA的软化点增大，说明硅藻土增强了生物沥青在高温下的抗流动变形能力。

由图1（c）可以看出，随着生物油掺量的增加，沥青的延度逐渐降低，说明生物沥青的延度低于基质沥青。这是因为生物沥青中含有相当多的杂质成分，导致沥青试样在拉伸过程中应力集中，从而降低其延度。硅藻土同时也降低了生物沥青的延度，这是因为硅藻土的添加会使沥青变硬。由于材料特性使得延度试验存在应力集中现象，不能真实表征DBA的低温流变性能，因此应通过BBR试验进一步验证。

2.2 高温性能

不同掺量硅藻土+10%生物油的DBA车辙因子试验结果如图2所示。由图2可以看出，无论是否进行短期老化，所有沥青试样的车辙因子都随着温度的升高而逐渐减小。这表明测试温度越高，DBA的高温稳定性越低。这是因为随着温度的升高，DBA会逐渐软化而不利于高温稳定性。同时，可以发现DBA的车辙因子随硅藻土掺量的增加而增加。在相同试验温度下，D0/B10的车辙因子最低，D8/B10和D4/B10次之，D12/B10的车辙因子最高。这是因为硅藻土颗粒可以提高沥青的粘聚力，还能吸收生物油中的轻质组分，从而增加沥青刚度，改善其在高温下抗车辙变形的能力。

2.3 低温性能

不同掺量硅藻土+10%生物油的DBA的低温试验结果如图3所示。由图3可知，生物油的添加显著降低了基质沥青的蠕变劲度，增大了m值，说明生物油可以增强沥青的低温流变性能。还可以发现，当试验温度从-12 ℃降低到-24 ℃时，DBA的蠕变劲度增大，m值减小。这说明基质沥青的低温抗裂性随着温度的降低而减弱，这是由于在低温下沥青的黏性成分增大，而弹性成分减少所致。由此说明，温度变化对蠕变劲度的影响比m值更为明显，即蠕变劲度对温度的敏感性高于m值。此外，随着硅藻土掺量的增加，DBA的蠕变劲度增大，而m值减小。这表明硅藻土可能不利于沥青的低温特性，这是因为硅藻土与沥青形成的交联结构使沥青变硬变脆，降低了沥青在低温下的应力松弛性能和抗弯曲蠕变性能。

2.4 相容性能

一般情况下，在改性或复合改性沥青的制备和使用过程中，因改性剂与沥青之间存在密度差，二者可能存在一定程度的相分离现象，目前一般用改性沥青上下部分的软化点差值来评价其储存稳定性，DBA的离析试验结果如表4所示。

由表4可以看出，随着生物油掺量的增加，DBA的软化点差值减小。当硅藻土掺量相同且生物油掺量从0到5%时，DBA的软化点差值从1.9 ℃降低到1.1 ℃。这说明生物油的添加提高了硅藻土改性沥青的储存稳定性。这是因为由于生物油的稀释作用，能使得硅藻土更均匀地分散在沥青基体中。根据《公路水泥路基施工技术规范》（JTG F40-2004），在聚合物改性沥青的离析试验中，软化点差值要求≤2.5 ℃。由表4可知，DBA的软化点差值均＜2.5 ℃，说明DBA作为沥青材料的储存稳定性满足规范要求。

2.5 化学性能

基质沥青、生物沥青和DBA的FTIR试验结果如图4所示。由图4可知，基质沥青的两个主要吸收峰位于2 920 cm-1和2 850 cm-1，是由亚甲基CH2的伸缩振动所引起的，而1 600 cm-1处的吸收峰是由C=C键的拉伸振动引起的，1 450 cm-1和1 380 cm-1处的吸收峰分别由甲基CH3的不对称弯曲振动和对称弯曲振动引起。另外，1 032 cm-1处的吸收峰是由烷烃亚砜基和芳烃亚砜基的S=O拉伸振动引起的。

图4 基质沥青、生物油与DBA的FTIR试验结果图

由图4还可知，与基质沥青相比，生物沥青的FTIR光谱中没有出现新的峰，区别在于生物沥青在1 700 cm-1处的吸收峰强度增加，这是由于C=O键的拉伸振动造成的。此外，可以发现DBA的FTIR光谱与另两种沥青相似，而DBA在1 032 cm-1处的峰值强度增加，这是由于硅藻土的Si-O拉伸振动所引起，该位置为1 032 cm-1接近Si-O吸收峰的位置，即硅藻土的FTIR光谱和基质沥青的FTIR光谱叠加效应。综上所述，硅藻土、生物油和沥青之间的耦合作用主要是物理反应。

3 结语

（1）结合三大指标和DSR试验结果表明，硅藻土能增强生物沥青的抗高温变形能力。

（2）硅藻土虽然增加了生物沥青的软化点差，但DBA的储存稳定性仍然满足规范要求。

（3）硅藻土的加入可能会削弱生物沥青的低温特性，而生物油与硅藻土的复合改性仍能显著提高沥青的低温性能。

（4）FTIR试验结果表明，DBA的官能团与基质沥青和生物沥青相比没有变化，即硅藻土、生物油和沥青基体之间的改性是物理相互作用。

参考文献：

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