納米植物灰分改性瀝青性能研究

作者簡介：

李志民（1988—），碩士，工程師，主要從事路橋施工管理工作。

摘要：為了研究植物灰分在公路工程瀝青改性中應用的可行性，文章選取稻殼、蔗渣、小麥秸稈三種農(nóng)作物廢料，制備納米級稻殼灰（RHA）、蔗渣灰（SCBA）、小麥秸稈灰（WSA），并結合植物灰分特性，分析植物灰分對瀝青常規(guī)指標、儲存穩(wěn)定性以及PG分級高溫指標等的影響。結果顯示：植物灰分提高了瀝青軟化點，降低了針入度、延度;植物灰分改性瀝青具有較好的儲存穩(wěn)定性，但摻量不宜過大;加入植物灰分后，瀝青高溫分級等級可提高1～2個等級。經(jīng)綜合分析，植物灰分具有應用于瀝青改性的可行性，推薦RHA、SCBA、WSA最佳摻量分別為6%、6%、4%。

關鍵詞：道路工程;瀝青;瀝青混合料;納米植物灰分;稻殼;蔗渣;小麥秸稈

中國分類號：U416.03A200734

0 引言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量農(nóng)作物廢料，包括但不限于各類農(nóng)作物秸稈、蔗渣、稻殼、椰糠等。大量農(nóng)業(yè)廢棄物的處治成為一大難題，部分被直接燃燒（少量被用于燃燒發(fā)電）也加重了環(huán)境污染，同時燃燒后灰分也會對土壤、水體等造成污染[1-2]。相應地，上述作物廢料在燃燒后也會產(chǎn)生大量殘留灰分，這是前述處治及環(huán)境污染問題產(chǎn)生的原因。近期，研究人員采用農(nóng)作物灰分作為混凝土中補充膠凝材料，研究表明稻殼灰（RHA）、蔗渣灰（SCBA）和麥秸灰（WSA）具有火山灰類材料性質，可以改善混凝土力學和耐久性能。因此，鑒于水泥類材料在瀝青改性方面的廣泛應用，可考慮將上述廢灰用于消耗量巨大的瀝青改性應用，以達到廢料綜合利用的目的。

基于上述研究思路，有部分研究者采用植物纖維、植物纖維灰進行了瀝青或瀝青混合料改性研究。如Liu等制備得到絮狀竹纖維，研究表明竹纖維可以有效降低瀝青溫度敏感性，對應混合料具有良好的路用性能，且能延緩混合料裂縫的發(fā)展，是代替木質素纖維的潛在替代品[3]。Mongkol等研究了蔗渣和椰糠替代礦粉對瀝青混合料和易性影響，結果表明采用20%摻量（占瀝青體積百分比）與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿黏度相當，且對應瀝青混合料部分馬歇爾技術指標較為接近[4]。Li等對蔗渣纖維改性瀝青混合料進行研究，表明其可以改善瀝青混合料路用性能，且與木質素纖維瀝青混合料路用性能相當[5]。李振霞等介紹了玉米秸稈制備工藝，探討了其瀝青改性機理，混合料試驗表明其與木質素纖維改性效果相當，且具有變異性更小的高低溫性能改善效果[6]。[JP+1]相關編譯成果研究了纖維素灰（來源于紙漿廠樹皮和碎木材等燃燒后的灰燼）對瀝青混合料性能抗老化性能的影響，并提出“相對濃度”概念，指出當摻加量在相對濃度范圍內(nèi)可使抗老化性能提高45.3～48.6%[7]。另外，隨著材料科技發(fā)展，納米材料也逐漸被應用于瀝青改性技術。納米金屬氧化物（TiO2、ZnO、SiO2等）、納米無機材料（碳納米管、納米黏土）等被證實對瀝青部分性能具有良好的改善效果。

綜合分析，上述研究大部分偏向于作物纖維改性瀝青技術，對已被燃燒處治的植物灰分改性研究相對較少。同時，基于納米材料在瀝青改性技術方面的優(yōu)良表現(xiàn)，可考慮將植物灰分進行納米化加工，然后分析其在瀝青改性方面的可行性?；诖耍疚闹攸c分析納米植物灰分對瀝青關鍵性能指標影響，為植物廢料處治及后續(xù)深入研究提供參考。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

瀝青選用埃索70#基質瀝青，相關技術指標如表1所示。

選取稻殼、蔗渣、小麥秸稈三種植物廢料，分別采用馬弗爐在500 ℃條件下制備成稻殼灰（RHA）、蔗渣灰（SCBA）、小麥秸稈灰（WSA）等三類植物廢灰。去除雜質后過0.075 mm篩孔備用。采用球磨機將農(nóng)作物廢灰進行納米化制備，球磨機作業(yè)參數(shù)為：400 r/min干燥研磨2～3 h，球料比為10∶1。

1.2 改性瀝青制備

基質瀝青加熱熔融至163 ℃?zhèn)溆?，將前述三種不同摻量（2%、4%、6%）納米材料分別添加到基質瀝青中，采用高速剪切機進行剪切拌和，剪切速率為3 000 r/min，剪切60 min。

1.3 試驗方案

首先擬對植物灰分作用機理進行研究，即對植物灰分進行粒徑、物相等分析，并對植物灰分改性瀝青紅外光譜特性與基質瀝青的進行對比。然后研究不同摻量灰分對瀝青針入度、延度及軟化點以及儲存穩(wěn)定性的影響。最后，基于動態(tài)剪切流變儀（DSR）對植物灰分改性瀝青流變特性進行分析，以探究其是否具備工程應用可行性。

2 改性瀝青作用機理

2.1 植物灰分特性分析

采用粒度分析儀、X射線衍射儀分別對研磨制備的納米農(nóng)作物廢灰進行粒度、物相分析（非晶態(tài)或結晶態(tài)）。具體試驗參數(shù)如下：

（1）粒度分析：以蒸餾水為分散劑（折射率RI為1.33），測試樣品浸入分散劑后，在30 ℃的條件下使用超聲波對顆粒分離10 min。調整懸濁液溫度至25 ℃，采用動態(tài)光散射法進行納米顆粒粒徑分析。

（2）X射線衍射：采用Bruker D8 X射線衍射儀（銅靶，λ=1.541 8），測試掃描角度（2θ）范圍為10°～85°，掃描速率為0.025°/0.4 s，測試溫度均為25 ℃。

粒度測試結果顯示，RHA、WSA和SCBA三種納米材料平均粒徑分別為28.21 nm、31.37 nm和24.66 nm，表明制備工藝可使廢棄作物灰分達到納米級尺寸要求（1～100 nm）。

對三種納米灰分進行物相分析（如圖1所示），結果顯示其主要成分為無定形二氧化硅。分析顯示，RHA和SCBA在2θ為22°存在較寬峰值，表明存在大量無定形二氧化硅。但二者在2θ為26.7°附近存在強烈峰值，表明RHA和SCBA也存在一定量結晶態(tài)二氧化硅。通過結晶度測算，RHA、SCBA和WSA結晶度分別為7.40%、8.57%和13.93%。

2.2 傅里葉紅外光譜分析

采用紅外光譜（FTIR）對三種植物灰分改性瀝青進行化學成分分析，將測試樣品溶于5%二硫化碳溶液中，并滴取一滴至溴化鉀壓片上，壓片厚度控制在150 μm。待二硫化碳完全揮發(fā)后進行測試，在400～4 000 cm-1波長范圍內(nèi)掃描32次。各試樣紅外光譜圖對比如圖2所示。

對比各試樣光譜圖，各試樣光譜峰值位置與大小幾乎一致，且相較基質瀝青并未形成新的官能團，對應峰以及相關峰值消失，表明納米灰分加入改性瀝青后未發(fā)生化學反應，僅存在物理共混作用。

3 瀝青性能指標影響

3.1 常規(guī)性能指標

對各瀝青試樣進行針入度、延度、軟化點等常規(guī)指標試驗，試驗結果如表2所示。

經(jīng)分析可知：

（1）相較基質瀝青，加入納米灰分后改性瀝青針入度減小、軟化點增大。除6%WSA外，瀝青針入度隨納米灰分摻量增加逐漸減小、軟化點則逐漸增大，表明納米灰分提高了瀝青稠度與高溫穩(wěn)定性。但當WSA摻量為6%時針入度顯著增大、軟化點顯著減小，可能是由于高摻量秸稈灰分易發(fā)生團聚，減弱了對瀝青的吸附與加強效果，進而表現(xiàn)為針入度增大、軟化點降低。

（2）加入納米灰分后，瀝青延度逐漸降低，且除6%WSA外，摻量越大各試樣延度越小。這與納米灰分對瀝青的硬化作用有關，納米灰分加入后吸附瀝青形成瀝青膠漿，增強了瀝青稠度與高溫性能的同時，使瀝青硬度變大，分散的納米顆粒也阻斷了原瀝青內(nèi)部的延展性。而6%WSA由于團聚效應，分散效果較差，從而對瀝青延度影響也較小。

3.2 儲存穩(wěn)定性

儲存穩(wěn)定性試驗是評估瀝青特別是改性瀝青是否具備長距離運輸及長時間儲存的重要依據(jù)。穩(wěn)定性良好是改性瀝青工廠化生產(chǎn)的必要條件，我國規(guī)范要求高聚物改性瀝青離析軟化點差應控制在2.5 ℃以內(nèi)。為保證納米材料加入瀝青后在高溫狀態(tài)下不發(fā)生離析，對各改性瀝青試樣進行儲存穩(wěn)定性試驗。首先將試樣裝入直徑為25 m、高度為140 mm鋁管，然后在163±5 ℃環(huán)境中豎直存放48 h。之后取出并立即放入7 ℃冰箱冷卻4 h±5 min。4 h后，將試管從冰箱中取出，切成三等份。取鋁管頂部與底部試樣進行軟化點試驗，測算出二者軟化點差。參照高聚物儲存穩(wěn)定性要求，各瀝青試樣離析軟化點差試驗結果如圖3所示。

經(jīng)分析可知：相較基質瀝青，加入納米灰分后，改性瀝青離析軟化點差均增大，且除SCBA改性瀝青各摻量軟化點差均為0.8 ℃外，其余試樣隨著納米灰分摻量增大，離析軟化點差增大。這可能是由于納米材料比表面積高，摻量越大材料發(fā)生團聚可能性增加，進而導致儲存穩(wěn)定性降低。另外，除6%WSA外，其余各瀝青試樣儲存穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求（≤2.5 ℃）。

3.3 PG高溫分級分析

前期探索性試驗表明，加入植物灰分后，可在一定程度上提高瀝青復數(shù)剪切模量G*，降低相位角δ，這與大部分改性物質對瀝青流變特性影響一致，本文不再贅述。為進一步研究植物灰分對瀝青性能的影響，參照superpave有關PG分級標準，研究植物灰分對PG分級高溫指標的影響。

根據(jù)DSR測試要求，由于PG分級測試溫度>46 ℃，因此采用直徑為25 mm、間隙為1 mm的測試板。采用應變控制模式，改性瀝青試樣采用2%應變控制水平，基質瀝青采用10%應變控制水平，測試頻率為10 Hz。當車轍因子G*/sinδ下降至1 kPa時，自動記錄為失效溫度，作為PG分級高溫溫度等級劃分依據(jù)。各試樣高溫失效溫度測試結果如圖4所示。

根據(jù)Superpave標準，瀝青高溫失效溫度定義為未老化瀝青車轍因子G*/sinδ<1 kPa（或老化瀝青<2.2 kPa）時的對應溫度。PG分級等級以6 ℃為步長進行劃分，如基質瀝青試樣失效溫度為61.2 ℃，對應高溫等級為PG58。為對比分析，各試樣高溫等級匯總如表3所示。

除6%WSA外，隨著納米灰分摻量的增大，三種改性瀝青失效溫度均逐漸增大，且所有試樣PG高溫等級均較基質瀝青提高1～2個等級。其中，6%RHA、4%WSA高溫等級均達到PG70，表明RHA與WSA可使瀝青具有良好的高溫性能。

4 結語

將三種植物廢料加工制備成納米灰分，通過對植物灰分特性以及植物灰分對瀝青常規(guī)指標、儲存穩(wěn)定性和PG分級高溫等級的影響進行研究，得到如下結論：

（1）與基質瀝青相比，納米植物灰分改性瀝青針入度、延度降低，軟化點增加，表明納米廢棄植物灰分的摻入對瀝青具有硬化作用。

（2）離析軟化點差試驗表明，除6%WSA外，植物灰分改性瀝青具有較好的儲存穩(wěn)定性，具備長距離運輸及長時間儲存潛力。

（3）基于PG分級高溫分級要求，加入植物灰分后，瀝青高溫分級等級可提高1～2個等級，表明瀝青高溫性能得到有效增強。

（4）瀝青改性時，植物灰分摻量過大會造成團聚，推薦RHA、SCBA、WSA最佳摻量分別為6%、6%、4%。

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