BG/OMMT復(fù)合改性瀝青的黏附性能研究

中圖分類號(hào)：U416.03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.015文章編號(hào)：1673-4874（2025）04-0052-04

0 引言

瀝青材料的水損害是瀝青路面的主要病害之一。水損害對(duì)瀝青路面的耐久性、安全性、行車舒適性等關(guān)鍵指標(biāo)影響較大，因此改善瀝青與集料之間的黏附性至關(guān)重要。骨膠（BG）是一種天然蛋白質(zhì)廢棄物，主要由動(dòng)物骨骼及其分泌物中產(chǎn)生的膠原蛋白制備而成[1。因自身良好的穩(wěn)定性和環(huán)保性，作為增值型黏結(jié)劑，BG已廣泛應(yīng)用于造紙、醫(yī)療和建筑行業(yè)[2]。有研究表明，BG可以改善瀝青及其混合料的高溫性能，但BG的高水溶性使其應(yīng)用于瀝青材料面臨挑戰(zhàn)[3-4]。

納米黏土因其成本低廉、就地取材和獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注[5。例如，有機(jī)蒙脫土（OMMT）可以作為瀝青的補(bǔ)強(qiáng)填料，提高瀝青的強(qiáng)度和剛度。OMMT的層間結(jié)構(gòu)可以通過(guò)離子交換反應(yīng)增強(qiáng)聚合物鏈，從而降低瀝青的表面自由能，提高其力學(xué)性能。有研究表明，OMMT與瀝青之間能產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，從而改善瀝青的水穩(wěn)定性、抗老化性、抗車轍性和抗疲勞性能[7-8]。然而，關(guān)于OMMT與BG對(duì)瀝青黏附性能的影響研究仍然不足。本研究基于表面自由能理論，采用不同黏附性評(píng)價(jià)指標(biāo)，旨在研究BG/OMMT復(fù)合改性瀝青（BOMA）的黏附性能。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究的控制組選擇為 70^? 道路石油瀝青，瀝青改性劑選用OMMT和BG，三種原材料的物理性能如表1至表3所示。

表1瀝青物理性能表

表2OMMT物理性能表

表3BG物理性能表

1.2 試樣制備

將基質(zhì)瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，基于 Al³⁺ 的配位作用制備新型骨膠，其中骨膠的摻量為 10% （與基質(zhì)瀝青的重量比），OMMT的摻量分別為 1%2%3%4% （與基質(zhì)瀝青的重量比），采用高速剪切機(jī)制備BG/OMMT復(fù)合改性瀝青（BOMA），剪切機(jī)的轉(zhuǎn)速控制為3 000r/min ，剪切時(shí)間和溫度分別設(shè)置為30min和135 C ，以得到不同摻量下的BO-MA，本次試驗(yàn)所制備的BOMA試樣匯總?cè)绫?所示。

表4BOMA試樣匯總表

1.3表面自由能理論

Young方程的表達(dá)式揭示了固體與液體的表面自由能與其接觸角的關(guān)系，如式（1）所示[9]。

γ_lcosθ=γ_s-γ_sl

式中： γ_ι 和 γ_s 液體和固體的表面自由能/（mJ·m^-2 ）；θ 一接觸角/°。

基于式（1），Owens開發(fā)出新的表面自由能計(jì)算方法，同時(shí)包含色散分量和極性分量，為了增強(qiáng)表達(dá)式直觀性，將其按照一次函數(shù)表達(dá)式變形，如式（2）所示。

式中： γ_l^d 和 γ_s^d ——液體和固體的色散分量/（mJ·m^-2 ）；

YP和 γ_s^p ——極性分量/ （m）?m^-2 ）。

在廣西濕熱多雨的氣候條件下，瀝青路面在服役過(guò)程中，易發(fā)生兩種水損害，即瀝青的黏結(jié)破壞和瀝青/集料的剝落破壞。基于表面自由能理論，兩種水損害現(xiàn)象可分別根據(jù)黏結(jié)功（ W_c ）、黏附功（ W_as ）和剝落功（ W_aws ）進(jìn)行評(píng)價(jià)，三種指標(biāo)的表達(dá)式分別如式（3）至式（5）所示：

W_c=2γ_a

W_as=γ_a+γ_s-γ_as

W_aws=W_aw+W_sw-W_as

上述三種指標(biāo)分別表征瀝青的不同水損害形式。為系統(tǒng)表征本次試驗(yàn)中BOMA的水穩(wěn)定性，利用能量比來(lái)評(píng)價(jià)不同瀝青/集料組合下的水穩(wěn)定性，如式（6）所示：

1.4接觸角試驗(yàn)

在接觸角試驗(yàn)中，選擇三種性質(zhì)穩(wěn)定的液體作為檢測(cè)液體，如甲酰胺、乙二醇、蒸餾水。這些液體不與固體相容，且表面自由能數(shù)值差異顯著，如圖1所示。接觸角平行試驗(yàn)為三次，當(dāng)數(shù)據(jù)偏差較大時(shí)，另外進(jìn)行試驗(yàn)，以最終結(jié)果的平均值作為接觸角值。在檢測(cè)瀝青試樣的接觸角之前，加熱試樣使其流動(dòng)。勻速將干凈、干燥的薄片垂直插入瀝青中，并將其迅速提取出來(lái)，懸掛在135℃的烘箱中，以促進(jìn)試樣的自然流動(dòng)。重復(fù)這一過(guò)程，直到試樣在薄片上的表面均勻光滑，無(wú)任何明顯的氣泡。

圖1檢測(cè)液體的能量指標(biāo)柱狀圖

選擇三種不同類型的檢測(cè)集料，包括花崗巖、石灰石和輝綠巖，且將其切割成尺寸為 50mm×40mm×10 mm的試塊。隨后，對(duì)每種試塊進(jìn)行研磨和拋光，使其表面光滑。在接觸角試驗(yàn)開始前，每種集料表面均要徹底清洗并干燥，以消除表面的殘留雜質(zhì)和水分。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1接觸角分析結(jié)果

液體的潤(rùn)濕性是指其在與固體表面接觸后擴(kuò)散的能力，可以通過(guò)測(cè)量接觸角來(lái)量化該現(xiàn)象，良好的潤(rùn)濕性是兩相之間有效黏附的關(guān)鍵指標(biāo)。三種檢測(cè)液體在BOMA上的接觸角試驗(yàn)結(jié)果如圖2至圖4所示。

圖2BOMA與蒸餾水的接觸角試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

圖3BOMA與甲酰胺的接觸角試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

圖4BOMA與乙二醇的接觸角試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

由圖2至圖4可以看出，所有BOMA與蒸餾水的接觸角都 ，說(shuō)明瀝青本身具有疏水性。BOMA與三種檢測(cè)液體的接觸角由大到小順序均為 BOMAOgt;70^#gt; BOMA1gt;BOMA2gt;BOMA4gt;BOMA3。這表明BG會(huì)增加BOMA的接觸角，降低其潤(rùn)濕性，而OMMT能改善BOMA的潤(rùn)濕性。三種檢測(cè)液體對(duì)輝綠巖、石灰石和花崗巖的接觸角試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，三種集料與蒸餾水的接觸角均 lt;90^° ，輝綠巖接觸角最大，其次為石灰?guī)r，花崗巖最小，因此花崗巖具有較強(qiáng)的親水性，其表面極易被水潤(rùn)濕，黏附性最差。

圖5不同集料與檢測(cè)液體的接觸角試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

2.2表面自由能和黏結(jié)功

根據(jù)前文的表面自由能計(jì)算方法，得到BOMA的表面能參數(shù)結(jié)果，如圖6所示。由圖6可知，與基質(zhì)瀝青相比，除BOMAO的表面自由能更低外，其他BOMA的表面自由能均增加，這是由于OMMT本身具有更低的表面自由能。此外，還可以發(fā)現(xiàn)在BOMA的表面能參數(shù)中，與極性分量相比，BOMA的色散分量占主導(dǎo)地位，而色散分量的增加意味著BOMA的物理附著力提高。

圖6BOMA的表面能參數(shù)柱狀圖

BOMA的極性分量所占比例較小，極性分量的比例減少有利于BOMA的潤(rùn)濕作用和表面擴(kuò)散，兩相之間的界面增強(qiáng)使得其附著力提高。在相同條件下，BOMA的三種表面能參數(shù)由大到小排序?yàn)椋築OMA3 gt; BOMA4 gt; BOMA2gt;BOMA1gt;70*gt;BOMA0，這說(shuō)明BG使得BOMA的表面自由能下降，而OMMT對(duì)BOMA的黏附性有改善作用。

圖7為不同集料的表面能參數(shù)曲線。由圖7可知，三種集料的表面能參數(shù)變化較大，其中石灰?guī)r的表面自由能最大，但其極性分量最小。花崗巖的表面自由能最低，但其極性成分最大，輝綠巖介于兩者之間。這與集料本身的化學(xué)成分有關(guān)，即集料的表面能參數(shù)與集料的酸堿密切相關(guān)。

圖7不同集料的表面能參數(shù)曲線圖

圖8為根據(jù)式（③得到的BOMA黏結(jié)功曲線，黏結(jié)功越大，瀝青本身黏結(jié)得越緊密，則黏附性越強(qiáng)。由圖8可知，與基質(zhì)瀝青相比，BOMAO的黏結(jié)功顯著下降，這說(shuō)明BG的水溶性特質(zhì)不利于BOMA的黏附性。還可發(fā)現(xiàn)，隨著OMMT摻量的增加，BOMA的黏結(jié)功逐漸增加，說(shuō)明OMMT能改善BOMA的黏附性，這是因?yàn)镺MMT具有有機(jī)親和力，能改善其與瀝青的相容性。當(dāng)OMMT的摻量增大到 3% 以上時(shí)，BOMA4的黏結(jié)功有所下降，這是因?yàn)殡S著OMMT摻量的提高，OMMT容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，因此其對(duì)黏附性的改善效果降低。

圖8BOMA的黏結(jié)功曲線圖

2.3 黏附功和剝落功

圖9為基于式（4）計(jì)算的BOMA黏附功曲線，黏附功越大，黏附性越高。由圖9可知，在相同集料條件下，BO-MA1、BOMA2、BOMA3和BOMA4的黏附功均明顯高于70^? 基質(zhì)瀝青和BOMAO，這說(shuō)明OMMT對(duì)瀝青與集料的附著力改善效果比BG高。因?yàn)镺MMT具有較低的表面自由能，與瀝青中的油分均勻相容，能提高其潤(rùn)濕性，最終增強(qiáng)瀝青與集料之間的附著力。在相同試樣類型條件下，BOMA與石灰?guī)r的黏附性能最強(qiáng)。

圖9BOMA的黏附功曲線圖

瀝青與集料的黏附強(qiáng)度與瀝青在集料表面的潤(rùn)濕性成正比，而與二者的剝落功成反比。與酸性集料相比，堿性材料更容易與酸性瀝青反應(yīng)，形成不溶于水的化合物，從而增加瀝青與集料的附著力。剝落功表征結(jié)構(gòu)瀝青與集料界面釋放的能量被水取代的難易程度。剝落功越高，瀝青越容易被水分子取代，使瀝青混合料更容易受到水損害。圖10為式（5）所得的BOMA剝落功曲線。由圖10可知，與黏附功的變化相反，BG增大了BOMA的剝落功，而OMMT降低了其剝落功。

圖10BOMA的剝落功曲線圖

另外，還可以發(fā)現(xiàn)同一老化溫度下 ΔI₁₀₃₂"由大到小的順序?yàn)镻USAO gt; PUSA1 gt; PUSA3 gt; PUSA2，這說(shuō)明PUP或SBS的加入均能使PUSA的抗老化性能提高，且SBS的老化性能改善效果優(yōu)于PUP，但PUSA1、PUSA2、PUSA3的抗老化性能仍優(yōu)于PUSAO，這是因?yàn)镻UP及其分解產(chǎn)物阻礙了瀝青膜內(nèi)熱量的傳遞，削弱了熱氧分子與瀝青的接觸面積，從而提高了PUSA的抗老化性能。由圖9可知，與PUSA2相比，在不同老化溫度下PUSA3的 ΔI₉₆₆"均有所增加，說(shuō)明PUP的加入降低了PUSA中的分解程度，這是因?yàn)镻UP及其分解產(chǎn)物的存在降低了SBS與瀝青膜中氧分子的熱量接觸概率。

3結(jié)語(yǔ)

（1）與SBS改性瀝青相比，PUP對(duì)瀝青的高溫性能影響更大，同時(shí)PUP的加入能提高其低溫抗裂性能。不同老化溫度下的高溫穩(wěn)定性由大到小的順序?yàn)镻USA3gt;PUSA2gt;PUSA1gt;PUSAO。PUP的添加不利于PUSA的高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性，而PUP和SBS的復(fù)配能改善PUP對(duì)PUSA的高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性的不利影響。

（2）在不同老化溫度下，PUP或SBS的加入均能提高PUSA的抗老化性能，而SBS對(duì)其老化性能的改善效果優(yōu)于PUP。

（3）本次試驗(yàn)開展了基于短期老化的PUP/SBS復(fù)合改性瀝青性能研究，而PUP在瀝青中的微觀形態(tài)、四組分含量、改性機(jī)理以及長(zhǎng)期老化性能等因素有待于進(jìn)一步研究。

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