硅藻土改性生物瀝青的黏附性研究

關鍵詞：道路工程；生物瀝青；硅藻土；黏附性；表面自由能；改進水煮法

中圖分類號：U414 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）01-098-09

隨著我國公路網建設的逐漸完善，公路石油瀝青消耗量巨大，石油資源的再生周期漫長，且原油加工過程會對環(huán)境造成較大污染。所以，尋求石油瀝青的可替代材料對于道路建設領域有著重大的意義[1] 。生物質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、價格低廉、分布廣泛等優(yōu)點[2]。但眾多學者研究發(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一步應用[3?7]。若能克服這一性能缺陷，就能使生物瀝青的實際工程應用得到進一步推廣。

目前，研究者也開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）為來源的生物瀝青時，對其運用SBS、膠粉進行復合改性，DC、SHB及復合改性生物瀝青在水煮試驗中均表現(xiàn)良好。季坤等[10]將生物瀝青與TLA 湖瀝青進行混合改性，改性瀝青混合料展現(xiàn)出極佳的水穩(wěn)定性。馮學茂等[11]在生物瀝青中添加了有機化蒙脫土，發(fā)現(xiàn)其黏度達到基質瀝青的2倍以上，但低溫性能會受到影響。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，而硅藻土作為一種無機材料，具有價格低廉、多孔、比表面積大等優(yōu)點[12?13]，研究表明硅藻土能夠提升增強瀝青混合料的高溫、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生物瀝青與集料黏附性的影響。

1實驗部分

1.1主要原料

1）生物質油：研究所采用的生物質油來源于河北某生物質能源企業(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，技術指標滿足《公路瀝青路面施工技術規(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，生物質油摻量為石油瀝青質量的10%。首先，將石油瀝青放入恒溫烘箱內，待石油瀝青被加熱達到流動態(tài)后，將預熱至110 ℃的生物質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，在制備過程中使用玻璃棒不斷攪拌混合。

1.3試驗方法

1.3.1常規(guī)性能試驗

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

1.3.2布氏旋轉黏度試驗

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

1.3.3改進水煮法試驗

傳統(tǒng)水煮法試驗難以精確掌控，評價指標無法定量且主觀影響很大[17] 。研究基于傳統(tǒng)水煮法試驗進行改進，以連續(xù)性試驗（3、6、9、12、15 min）方法測定硅藻土改性生物瀝青與集料在水煮試驗中的瀝青質量變化情況，并以基質瀝青、生物瀝青作為對照組。試驗采用的集料為石灰?guī)r，每次試驗5 組，結果取平均值。在石料裹覆瀝青后，需放涼冷卻至室溫并去除多余瀝青，同時在水煮過程中用紙片或玻璃棒對剝落瀝青進行處理，防止剝落的懸浮瀝青對石料重新裹覆，影響試驗結果。

按照公式（1）計算得到瀝青的質量損失率F（%），參考瀝青黏附性分級表評價硅藻土改性生物瀝青與集料的黏附性能。瀝青黏附分級表，如表2所示。

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

1.3.4接觸角試驗

采用躺滴法對瀝青表面能參數(shù)進行測試。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到流動態(tài)，使瀝青在載玻片上形成光滑的平面，在瀝青冷卻后，放置于干燥無塵的容器中，即可獲得接觸角試件。

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

2結果與討論

2.1三大指標分析

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

針入度能夠反映瀝青自身的稠度，是我國瀝青標號劃分的主要依據。結果表明，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瀝青。

軟化點是反映石油瀝青高溫性能的重要指標，軟化點越高，說明瀝青的熱穩(wěn)定性能越好?？梢钥闯觯S著硅藻土摻量的增加，改性生物瀝青的軟化點逐漸升高，高溫性能得到提升，但增長趨勢較為平緩，相較于原生物瀝青的軟化點提升了7%左右。

延度是反映瀝青低溫性能的重要指標，延度越大，瀝青的低溫性能越好。結合表1 和表4 可以看出，生物質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一步加大，在摻量超過15% 后，延度略微提升。主要原因是硅藻土的改性過程僅在瀝青中進行分散，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，延度試驗中瀝青被拉伸，硅藻土微粒會使瀝青產生應力集中，從而導致瀝青過早發(fā)生斷裂[19]。

2.2布氏旋轉黏度結果分析

瀝青作為一種黏彈性材料，其黏度對溫度十分敏感，是影響瀝青膠結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自身與集料之間黏附性，因為瀝青黏度越大說明其重質組分含量越多，與集料的化學吸附能力越強，會使集料表面的瀝青膜有效厚度增大[20]。不同摻量硅藻土對生物瀝青黏度的影響情況，如圖3 所示。由圖3 可知，加入生物質油后，生物瀝青的黏度相較于基質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組分占比例提升所致。通過黏度變化可以發(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%摻量時的硅藻土改性生物瀝青的黏度已與基質瀝青相近。從黏度增長趨勢來看，硅藻土摻量超過17%后，黏度幾乎不再增大，所以硅藻土摻量不宜超過17%。

2.3改進水煮法試驗結果分析

各組生物瀝青水煮試驗結果，如表5所示。

由表5 可知，水煮時間為3min時，各組瀝青的剝落質量差別不大，黏附等級均為9級及以上。但隨著水煮時間的不斷加長，質量損失逐漸增多，黏附等級開始降低，BIO與其他各組瀝青的差距逐漸被拉大。當水煮時間到達15min時，BIO+17% 的質量損失率相較于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大小排序為17%＞15%≈19%＞13%≈11%≈70#鑫海＞BIO，可以發(fā)現(xiàn)當硅藻土的摻量為17%時，生物瀝青的質量損失率達到最小；但摻量的繼續(xù)增大并沒有使質量損失率降低，說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表面能結果分析

通過測試得到的接觸角，計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。結合楊氏方程計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，采用無量綱能量參數(shù)ER對生物瀝青-集料界面體系的水穩(wěn)定性進行綜合全面地評價，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。

2.4.1表面能及其分量

根據測試得到液體與瀝青的接觸角與測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，在加入了生物質油后，生物瀝青相較于基質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個表面的能量，黏聚功越大，瀝青抵抗水分的能力越強。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相同。由圖5可知，在17%摻量時硅藻土改性瀝青表現(xiàn)出更強的自聚力，有著較好的抗開裂能力，推測原因是硅藻土具有較大的比表面積，微孔結構也有利于瀝青的吸附和濕潤，能夠提高硅藻土與瀝青之間的黏結力。

黏附功是指無水條件下瀝青與集料兩個表面體系結合成為一個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，基質瀝青與石灰?guī)r的黏附功為121.1 mJ/m²，而在加入了生物質油后黏附功下降了約12.2%，表明生物質油對瀝青-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，黏附功達到138.8mJ/m²，相較于基質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構相當于微毛細管，會產生毛細作用，從而增加了瀝青的界面作用力，增強了黏附性能[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%摻量時的剝落功相較于基質瀝青與生物瀝青下降了約17.1% 和27.4%，說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作為體系的綜合評價指標，通過公式（2）計算得到的ER 值，如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，生物瀝青的能量參數(shù)ER 相較于基質瀝青降低了15.7%，在硅藻土摻量達到13%時的ER反超基質瀝青。隨著硅藻土摻量的逐漸增加，ER值在17%摻量時達到最大，而后略微下降，這與黏聚功、黏附功趨勢相同。所以，硅藻土摻加量為17%時，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，延長路面服務壽命。

3結論

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% 硅藻土摻量時的改進水煮試驗中的瀝青質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值達到最大。