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表面修饰硅藻土改性生物沥青的流变与微观性能研究

2024-10-14 84 上传者：管理员

摘要：土改性生物沥青(SDBA),通过多重应力蠕变与恢复(MSCR)试验、弯曲梁流变仪(BBR)试验、座滴试验和傅里叶红外光谱(FTIR)试验，分别对SDBA的流变性能、粘附性能和化学成分进行分析。结果表明：表面修饰硅藻土能改善SDBA的粘附性能和高温稳定性；虽然表面修饰硅藻土对SDBA的低温性能和疲劳性能有负面影响，但SDBA的低温性能仍优于基质沥青，且低掺量下对SDBA的抗疲劳性能影响不大；表面修饰硅藻土对SBDA的性能提升更优于未修饰硅藻土；表面修饰硅藻土、基质沥青和生物油的共混属于物理改性。

关键词：
流变性能
生物沥青
硅藻土
表面修饰
道路工程
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近年来，生物沥青因其低碳、环保已成为备受关注的沥青材料之一，由于生物油的来源多种多样，生物沥青的性能也存在显著差异[1-2]。有研究表明，生物材料中含有水分和挥发性化合物，这不利于生物沥青与集料的粘附性能[3-4]。因此，生物沥青作为石油沥青替代品的难点在于，多数生物油对沥青的高温稳定性、老化敏感性和粘附性能有不利影响。因此，亟须开发一种具有足够高温稳定性、抗老化性能和水稳定性的生物沥青。硅藻土是天然资源中较受欢迎的固废材料，其具有硬度高、表面粗糙、耐磨、防滑、多孔等特点，这种固废材料已被证明可以改善沥青及其混合料的路用性能[5-6]。虽然硅藻土对沥青改善具有许多优势，但由于硅藻土是无机材料，为加强硅藻土在沥青中的性能表征，可对其采用表面改性技术，得到表面修饰后的硅藻土[7-8]。虽然目前对生物沥青的老化和流变特性研究已被广泛报道，但对生物沥青粘附性能的研究仍然不足，这限制了生物沥青在道路工程中的大规模应用[9]。因此，本文研究制备不同掺量下的表面修饰硅藻土改性生物沥青(SDBA),进行一系列沥青试验，如不同温度下的流变试验、座滴法、微观性能试验等，系统分析SDBA的流变性能、粘附性能和化学性能。

1、原材料与试验方法

1.1原材料

选择70#石油基道路石油沥青为基质沥青，其性能指标如表1所示。使用的硅藻土性能指标如表2所示。生物油选择为蓖麻油，其性能指标如表3所示。

1.2表面修饰方法

称取定量的硅藻土烘干，配制质量分数为70%的无水乙醇溶液，并用氢氧化钠溶液调节溶液pH值为碱性。随后加入含有硅烷偶联剂KH-550的溶液，在60℃的水浴条件下搅拌1 h,再加入硅藻土，并在相同温度下进行超声搅拌1 h,将过滤后的硅藻土在105℃的烘箱中干燥12 h,得到表面修饰硅藻土。

表1道路石油沥青基本性能指标表

表2硅藻土基本性能指标表

表3生物油基本性能指标表

1.3改性沥青制备

(1)将基质沥青加热到流体状态，将称重后的生物油倒入基质沥青中，采用高速剪切仪以4 500r/min的速度剪切30min,剪切温度设置为150℃～155℃;(2)将称重后的硅藻土(已改性或未改性)缓慢加入到生物沥青中，剪切温度控制在155℃左右，将生物沥青以4 500r/min的剪切速率剪切60min,生物油和硅藻土的掺量均为其质量与基质沥青质量的比值。如表4所示为本次所有试样的制备方案，且所有试样均采用上述相同的制备工艺进行处理，以减少老化对沥青试验结果的影响。

表4试验方案汇总表

1.4试验方法

(1)根据AASHTO T240和AASHTO R28标准，分别采用旋转薄膜烘箱(RTFO)试验和压力老化仪(PAV)试验，以模拟沥青的短期老化和长期老化。

(2)基于PAV老化试样进行疲劳性能试验，评价SDBA的疲劳性能，试验温度为22℃～28℃,以此计算疲劳因子(G*·sinδ)。

(3)多重应力蠕变与恢复(MSCR)试验采用应力控制模式，试验温度为60℃,RTFO老化试样在0.1kPa和3.2kPa两个应力水平下进行测试，每个加载和卸载阶段分别为1.0s和9.0s。

(4)为评价SDBA的低温流变特性，采用基于蠕变速率(m)和蠕变刚度(S)的弯曲梁流变仪(BBR)试验，试验温度分别为-12℃、-18℃和-24℃。

(5)利用傅里叶变化红外光谱(FTIR)试验对SDBA的官能团进行分析，该光谱仪在4 000～400cm-1进行32次扫描，分辨率设置为4cm-1。为获得稳定的试验结果，进行3次重复试验。

(6)采用OCA接触角计分别测量蒸馏水、甘油和甲酰胺与SDBA的接触角，测试温度为25℃,对每种沥青和测试液体设置5次平行试验，取平均值作为测试液体与沥青的接触角值。称取0.5g处于流体状态的热沥青，并将其放在载玻片上，以形成光滑的水平沥青表面，获得接触角沥青试样。

2、结果与讨论

2.1高温稳定性

如图1和图2所示为短期老化下SDBA的MSCR试验结果。由图1和图2可知，生物油能增加SDBA的不可恢复蠕变柔量，降低其弹性恢复率，这表明生物油不利于SDBA的高温稳定性。无论应力水平如何，表面修饰硅藻土都能降低SDBA的不可恢复蠕变柔量，提高其弹性恢复率，这表明表面修饰硅藻土改善了SDBA的高温性能。同时还可以发现，在硅藻土含量相同的情况下，表面修饰硅藻土对SDBA的高温性能优于未改性硅藻土，这表明表面修饰可以进一步提高SDBA的高温稳定性。

图1MSCR试验弹性恢复率柱状图

图2MSCR试验不可恢复蠕变柔量柱状图

2.2低温抗裂性

图3和下页图4所示为长期老化下SDBA的BBR试验结果。由图3和图4可知，当试验温度从-12℃降低到-24℃时，SDBA的蠕变劲度增大而蠕变速率减小。随着表面修饰硅藻土掺量的增加，SDBA的蠕变劲度增大且蠕变速率减小，这表明表面修饰硅藻土不利于SDBA的低温特性。这是因为表面修饰硅藻土与沥青形成的交联结构使SDBA变硬、变脆，降低了SDBA在低温下的应力松弛性能和抗弯曲蠕变性能。同时还可以发现，与未改性硅藻土相比，表面修饰硅藻土显著降低了SDBA的蠕变劲度，且略微提高了其蠕变速率。这说明经过表面修饰后，SDBA单位体积的硅藻土含量降低，表面修饰硅藻土在SDBA中的分散性增强，提高了SDBA的低温性能。

图3BBR试验蠕变劲度柱状图

图4BBR试验蠕变速率柱状图

2.3中温抗疲劳性

采用SHRP试验的疲劳因子(G*·sinδ)来评价SDBA在中温条件下的抗疲劳开裂性能，若疲劳因子越小，则沥青抗疲劳开裂性能越好，如图5所示为长期老化后的SDBA的疲劳因子结果。由图5可知，由于生物油的软化作用，SDBA的疲劳因子减小，即生物油改善了SDBA的抗疲劳开裂性能。此外，可以发现表面修饰硅藻土的加入增加了SDBA的疲劳因子。这是因为表面修饰硅藻土增加了SDBA的硬度，降低了SDBA的抗裂性。随着表面修饰硅藻土掺量的增加，SDBA的疲劳指数增大，因此有必要控制表面修饰硅藻土的用量，以保证SDBA的抗疲劳性能。

图5疲劳因子试验结果柱状图

2.4粘附性能

在不平衡的分子间作用下，材料表面分子比内部分子具有额外的能量，即表面自由能能定量展示材料的分子间作用力。如表5所示显示了测试液体和集料的表面自由能组成[10]。接触角可用于表征液体对固体的润湿性，一般情况下，接触角越高，液体对固体的润湿性越差。采用座滴法测量测试液体在SDBA表面的接触角，SDBA接触角结果如表6所示。

表5测试液体和集料的表面自由能试验结果表

表6SDBA的表面自由能试验结果表

由表6可知，生物油增加了SDBA的接触角，降低了SDBA的润湿性。还可以发现硅藻土降低了SDBA的接触角，表明硅藻土可以改善SDBA的润湿性。表面自由能和粘附功的计算如式(1)和式(2)所示，将表5和表6中的数据代入式(1)和式(2),得到SDBA的粘附功，结果如图6所示。一般来说，沥青与集料之间的粘附功越大，两者的粘附性越好。由图6可知，SDBA5对玄武岩的粘附功最高，而SDBA1最低，这说明生物油不利于SDBA与玄武岩的粘附性能。同时，无论是否表面修饰，硅藻土都能改善SDBA与玄武岩的粘附性能，且与未改性硅藻土相比，表面修饰硅藻土的改善效果更为突出。这是因为表面修饰硅藻土具有更强的吸油性，可以增强SDBA的表面自由能

式中:γl和γa一一液体和沥青的表面自由能;

θ一一接触角;

γdl和γpl——液体的色散分量和极性分量；

γdg和γpg——玄武岩的色散分量和极性分量；

γds和γps——沥青的色散分量和极性分量。

图6粘附功试验结果柱状图

2.5微观化学组分

SDBA的FTIR试验结果如后页图7所示。由图7可知，与SDBA6相比，SDBA4的FTIR光谱中没有出现新的峰，区别在于两种沥青在1 035cm-1处的吸收峰强度增加，这是硅藻土的Si-O拉伸振动所引起，说明表面修饰前后SDBA的化学官能团没有变化，即表面修饰没有改变硅藻土在沥青基体中的反应。还可以发现，基质沥青(70#)、生物沥青(SDBA1)、表面修饰后的SDBA(SDBA4)和未表面修饰的SDBA(SDBA6)的化学官能团相似，未出现新的官能团，这说明表面修饰硅藻土、生物油和沥青之间是物理作用。

图7FTIR试验结果示意图

3、结语

(1)MSCR试验和疲劳试验表明，表面修饰硅藻土增强了SDBA的高温稳定性，表面修饰硅藻土的掺量较低时，对SDBA的抗疲劳性能影响不大。

(2)表面修饰硅藻土的加入可能会削弱SDBA的低温特性，而与基质沥青相比，掺入表面修饰硅藻土和生物油后，仍可显著提高沥青的低温性能。

(3)表面修饰硅藻土增加了SDBA的粘附功，表明表面修饰硅藻土提高了SDBA的粘附性能。

(4)FTIR结果表明，与基质沥青和未表面修饰的SDBA相比，表面修饰的SDBA的没有新官能团的产生，这说明表面修饰硅藻土、生物油和沥青的混合是一种物理作用。

参考文献:

[1]蒋修明,丁湛,孙超,等.生物基树脂改性沥青流变特性评价及体系融合行为[J].材料导报,2024,38(2):273-279.

[2]胡隆,邵鹏坤,吕大春.再生炭黑改性生物沥青流变性能研究[J].西部交通科技,2023(6):28-30,175.

[3]王海成,金娇,刘帅,等.环境友好型绿色道路研究进展与展望[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(7):2 137-2 169.

[4]王超,季晓斌,谢亭亭.基于黏弹性分析的复合改性生物沥青抗车辙性能评价[J].北京工业大学学报,2022,48(6):667-675.

[5]车俊杰,刘沛荣.高掺量硅藻土改性沥青VOCs释放特征及性能评价研究[J].西部交通科技,2023(12):61-63.