木質(zhì)素改性瀝青高溫流變性能及施工溫度研究

汪 海,蔡 猛,唐文波,廖春花,程 承

(1.貴州省水城公路管理局，貴州 水城 553000；2.西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

瀝青作為道路應(yīng)用最為廣泛的一種材料，其路用性能的優(yōu)劣直接決定了道路的服役壽命和質(zhì)量。特別是目前在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，對(duì)能夠滿足路面建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的道路材料的需求越發(fā)急切[1]。瀝青在道路使用中會(huì)受到溫度、水和氧氣等自然因素的影響[2-5]。為了提高瀝青的高溫穩(wěn)定性能、減少瀝青路面的危害，通常向?yàn)r青摻入聚乙烯[6]、橡膠粉[7-8]等改性劑；但是這些改性劑大多數(shù)是石油化工類產(chǎn)品，就未來發(fā)展趨勢(shì)而言，此類改性劑的市場(chǎng)和應(yīng)用范圍會(huì)受到較大的限制。

木質(zhì)素是最豐富的生物基聚合物，可在木材工業(yè)的副產(chǎn)品中找到，約占每種植物干質(zhì)量的20%～25%[9]。木質(zhì)素與瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)類似，都是以碳為基礎(chǔ)的烴類物質(zhì)。利用木質(zhì)素可用于替代部分石油基的黏合劑，以協(xié)助瀝青工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，近年來專門為路面設(shè)計(jì)的專用木質(zhì)素引起了相當(dāng)大的關(guān)注。GAO等[10]發(fā)現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)速下，木質(zhì)素的加入均可提高瀝青的黏度。同時(shí)，木質(zhì)素改性瀝青的黏度仍能滿足規(guī)范中對(duì)瀝青黏結(jié)劑攪拌和施工的要求。與基質(zhì)瀝青相比，活化能隨木質(zhì)素含量的增加而增加。吳文娟等[11]通過DSC 熱分析探討了改性瀝青的共混及老化性能。木質(zhì)素改性瀝青老化后的熱穩(wěn)定性相比于基質(zhì)瀝青有了較為明顯的提升，同時(shí)低溫抗裂性能也得到改善。REN等[12]研究表明瀝青中添加木質(zhì)素會(huì)使瀝青中的極性組分含量增加，從而加強(qiáng)分子間的相互作用，導(dǎo)致瀝青模量增加。同時(shí)，木質(zhì)素的加入提高了瀝青的密度、黏結(jié)能密度、模量、黏度和黏附性能。CHENG[13]、CAI等[14]發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素用于道路石油瀝青的改性，為實(shí)現(xiàn)瀝青路面低碳建設(shè)提供了新的思路，但為能更好地推廣其工程應(yīng)用，對(duì)其施工的相關(guān)研究尚有不足。

本研究旨在通過動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)全面研究木質(zhì)素改性瀝青的流變性能，特別是在短期老化對(duì)其流變性能影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)(Brookfield)對(duì)高溫黏度進(jìn)行測(cè)試，采用復(fù)數(shù)模量 (G*)、相位角(δ)、車轍因子(G*/sinδ)、零剪切黏度(ZSV)、Blacke圖對(duì)木質(zhì)素改性瀝青的高溫流變進(jìn)行分析，最后基于相關(guān)研究成果對(duì)施工溫度及溫度敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為木質(zhì)素改性瀝青的進(jìn)一步工業(yè)化推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所使用的瀝青是廣東茂名70#基質(zhì)瀝青。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20—2011)、《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)，對(duì)瀝青的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。本文采用市售木質(zhì)素，采用過 200目篩的木質(zhì)素進(jìn)行試驗(yàn)，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表1 廣東茂名70#基質(zhì)瀝青指標(biāo)

表2 木質(zhì)素主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

取一定質(zhì)量的瀝青在120 ℃烘箱中加熱至熔化。將預(yù)熱瀝青分別裝在容器中放置烘箱，使其溫度保持在150 ℃。將木質(zhì)素緩慢加入瀝青中，用油浴鍋加熱，保證瀝青在150 ℃下用高速剪切機(jī)攪拌1 h使木質(zhì)素添加劑均勻分散在瀝青中，制備得到木質(zhì)素改性瀝青。為了確定木質(zhì)素物理、流變性能的最佳劑量，木質(zhì)素含量分別占瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3%、6%、9%、12%、15%等5種不同木質(zhì)素改性瀝青進(jìn)行制備從而用于試驗(yàn)。相關(guān)的命名規(guī)則如表3所示。

表3 不同木質(zhì)素?fù)搅康母男詾r青的命名

1.2.2老化試驗(yàn)

依據(jù)《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE 20—2011)中《瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)》(T 0610—2011)，先將(35±0.1)g瀝青倒入玻璃瓶中，以7個(gè)為一組置于旋轉(zhuǎn)烘箱中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，RTFOT的溫度在163 ℃，時(shí)間85 min。

1.2.3動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

采用美國(guó) TA 公司生產(chǎn)的 DHR-1 型動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行試驗(yàn)瀝青的溫度掃描和頻率掃描。其中，溫度掃描試驗(yàn)通過應(yīng)變控制方式，目標(biāo)應(yīng)變值為12%，加載頻率為10 rad/s；溫度范圍是30～100 ℃，采樣間隔為2 ℃下進(jìn)行溫度掃描測(cè)試。頻率掃描試驗(yàn)是進(jìn)行木質(zhì)素改性瀝青的黏彈特性研究，頻率掃描的溫度為30 ℃和60 ℃，頻率范圍為0.1～100 rad/s，采用25 mm試驗(yàn)平行板，應(yīng)變幅值為0.5%。

1.2.4黏溫性能

ACEI類的藥物可降低血管緊張素Ⅱ濃度，因此最初用于治療高血壓，但在臨床長(zhǎng)期應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)其對(duì)于腎臟具有明顯保護(hù)作用。在本次治療研究中，采取ACEI類藥物治療的IgA腎病患者的臨床總有效率達(dá)到90.5%以上，顯著高于非ACEI類藥物治療的對(duì)照組（71.5%），提示該種藥物治療可明顯保護(hù)腎功能，此外觀察組患者的血清清蛋白等水平均明顯優(yōu)于對(duì)照組，提示該種藥物治療可降低甚至不利因子水平，進(jìn)一步保護(hù)腎臟，研究結(jié)果與劉宏偉報(bào)道基本一致[2]?？傊瑢?duì)于IgA腎病治療，采取ACEI類藥物臨床療效顯著，保護(hù)患者腎功能。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(Brookfieid)法測(cè)量不同摻量下的木質(zhì)素改性瀝青的黏度。研究不同溫度下不同摻量的木質(zhì)素對(duì)木質(zhì)素改性瀝青黏度的影響，評(píng)價(jià)木質(zhì)素改性瀝青的黏溫性能，試驗(yàn)采用27#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為10 r/min。根據(jù)不同溫度的瀝青黏度回歸黏溫曲線，確定施工溫度的合理范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果

彈性材料的力學(xué)特性隨溫度變化下可用彈性常數(shù)表示，而黏彈材料受溫度影響大。對(duì)于瀝青路面來說，在高溫時(shí)，為了防止路面在重復(fù)荷載作用下發(fā)生變形現(xiàn)象，瀝青最好具有較高的彈性性能以抵抗變形，反映到流變性能基本參數(shù)上就是復(fù)數(shù)剪切模量G*要大，相位角δ要盡可能的小。為了探究短期老化作用下基質(zhì)瀝青和不同摻量的木質(zhì)素改性瀝青的流變性能變化規(guī)律，選取在46～82 ℃溫度下不同老化瀝青的復(fù)數(shù)模量(G*)、相位角(δ)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，相關(guān)結(jié)果可見圖1。

(a)老化前

從圖1可以看出，基質(zhì)瀝青及木質(zhì)素改性瀝青老化后的G*比老化前的顯著增大，表明老化作用會(huì)使瀝青變硬且抵抗變形能力變強(qiáng)。老化前后基質(zhì)瀝青和木質(zhì)素改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*均隨著溫度升高而降低，這一結(jié)果表明隨著溫度升高，瀝青的流動(dòng)性增強(qiáng)，其高溫抗車轍能力降低。但是在相同的溫度范圍內(nèi)木質(zhì)素改性瀝青抗變形能力都高于基質(zhì)瀝青，主要原因是木質(zhì)素是三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)起到抵抗變形的作用[15]。短期老化作用后，隨著溫度的升高，基質(zhì)瀝青和木質(zhì)素改性瀝青的相位角均呈上升的趨勢(shì)，說明升溫會(huì)加快瀝青分子熱流動(dòng)，瀝青進(jìn)入黏流的狀態(tài)，但是在相同的溫度下?lián)郊硬煌磕举|(zhì)素的改性瀝青的相位角都比基質(zhì)瀝青低，說明木質(zhì)素可以起到讓瀝青緩慢趨向于黏性，這一特征隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾釉桨l(fā)顯著。

根據(jù)SHRP的瀝青PG分級(jí)，G*/sinδ作為評(píng)價(jià)瀝青材料抵抗變形能力的指標(biāo)，其值越大，表明抵抗車轍能力越強(qiáng)。溫度掃描試驗(yàn)在46～82 ℃內(nèi)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

(a)老化前

由圖2可知，在短期老化前，隨著溫度的升高，基質(zhì)瀝青和木質(zhì)素改性瀝青的G*/sinδ值均有減小的趨勢(shì)，由于溫度增高瀝青分子間相互作用力在下降，瀝青由彈性轉(zhuǎn)變成黏性，使得G*/sinδ值減小，這與實(shí)際工程瀝青在高溫下表現(xiàn)出黏流狀態(tài)相符合。在測(cè)試溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出不同摻量木質(zhì)素的G*/sinδ均高于基質(zhì)瀝青，表明木質(zhì)素的摻入能夠改善瀝青的高溫抗車轍性能，且這一作用會(huì)隨著木質(zhì)素的摻量增加而增加。短期老化后，G*/sinδ均有所提高，但不同的是在測(cè)試溫度較低的區(qū)間范圍，除木質(zhì)素?fù)搅?5%的改性瀝青外，其他摻量的木質(zhì)素改性瀝青均表現(xiàn)出增長(zhǎng)幅度低于基質(zhì)瀝青，表現(xiàn)出木質(zhì)素的摻入有提高瀝青的抗短期老化性能的作用。

2.2 ZSV擬合分析

瀝青是一種隨剪切速率降低黏度會(huì)慢慢增大的非牛頓流體，零剪切黏度(Zero Shear Viscosity)是表示瀝青在剪切速率不斷減小直到接近于零的平穩(wěn)黏度值。Sybilski就提出用零剪切黏度來評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能。利用頻率掃描試驗(yàn)，來測(cè)定瀝青隨加載頻率變化的黏度，采用Cross和Carreau模型[16]擬合計(jì)算得到ZSV (Pa·s)，零剪切黏度越大則表明瀝青的高溫穩(wěn)定性能越好。為更好地模擬路面實(shí)際高溫情況，對(duì)短期老化狀態(tài)下的基質(zhì)瀝青和木質(zhì)素改性瀝青在0.1～100 rad/s范圍內(nèi)進(jìn)行60 ℃的頻率掃描試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果具體見表4。

表4 不同含量木質(zhì)素改性瀝青ZSV擬合值結(jié)果

由表4可知，2種流變模型對(duì)木質(zhì)素改性瀝青和基質(zhì)瀝青均有較高的擬合度，相關(guān)系數(shù)R2都在0.99以上。原樣瀝青的ZSV最小，老化后的基質(zhì)瀝青比原樣瀝青ZSV高。且老化后ZSV隨著木質(zhì)素的摻量增大而逐漸變大。兩種模型擬合到的ZSV都比老化前高，說明不同摻量的木質(zhì)素改性瀝青的高溫性能較基質(zhì)瀝青更好，這與G*/sinδ的試驗(yàn)結(jié)果相一致，隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾釉桨l(fā)顯著。對(duì)比2種模型擬合出的結(jié)果來看，發(fā)現(xiàn)Carreau模型擬合出的ZSV 結(jié)果較小，與相關(guān)研究一致[17]，因此可以認(rèn)為Carreau模型擬合的ZSV更優(yōu)，這是由于該模型會(huì)使復(fù)數(shù)黏度擬合曲線在低頻區(qū)形成平緩曲線[16]。

2.3 Black圖

Black曲線可以分析瀝青流變性能，通過縱坐標(biāo)動(dòng)態(tài)模量G*和橫坐標(biāo)相位角δ進(jìn)行全面描述，用Black圖將動(dòng)態(tài)模量和相位角兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行直觀的關(guān)聯(lián)[18-20]。在30 ℃和60 ℃下，通過頻率掃描對(duì)兩種瀝青和不同摻量木質(zhì)素的相容性進(jìn)行分析，具體如圖3所示。由圖3可知，Black圖中呈現(xiàn)為相對(duì)平滑的曲線，表明該瀝青試樣材料在溫度變化下不會(huì)發(fā)生相分離[21]，從中可以看出基質(zhì)瀝青與木質(zhì)素有較好的相容性，說明了木質(zhì)素可有效提高基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性能、抗老化性能。

(a)基質(zhì)瀝青

2.4 布氏黏度

2.4.1木質(zhì)素改性瀝青的黏溫特性

為明確木質(zhì)素的摻入對(duì)瀝青高溫黏度和施工溫度的影響規(guī)律，利用布氏黏度計(jì)測(cè)試不同摻量木質(zhì)素改性瀝青在115～195 ℃的黏度曲線，具體結(jié)果如表5和圖4所示。

圖4 木質(zhì)素?fù)搅繉?duì)黏度的影響

由表5和圖4可知，基質(zhì)瀝青和不同摻量的木質(zhì)素改性瀝青隨著溫度升高，黏度在逐漸下降。在相同的溫度下，摻量不同的木質(zhì)素改性瀝青要明顯高于基質(zhì)瀝青，且摻量15%的木質(zhì)素改性瀝青黏度處于最高，但是基質(zhì)瀝青和不同摻量木質(zhì)素改性瀝青的黏度隨溫度變化趨勢(shì)不同，基質(zhì)瀝青下降趨勢(shì)是比較平穩(wěn)的。除了摻量15%的木質(zhì)素改性瀝青外，其他不同摻量木質(zhì)素在溫度在115～135 ℃時(shí)候，黏度迅速下降。當(dāng)溫度大于135 ℃時(shí)，黏度下降的速率趨于變緩，主要是在135 ℃附近，瀝青發(fā)生了由黏彈性向黏流性的轉(zhuǎn)變。當(dāng)試驗(yàn)溫度相同時(shí)，隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑龆?，瀝青溫度逐漸升高，其抗剪能力得到提升，這時(shí)木質(zhì)素改性瀝青對(duì)高溫穩(wěn)定性是有利的。而不同摻量木質(zhì)素改性瀝青在175 ℃下降急劇，這反映出基質(zhì)瀝青和不同摻量的木質(zhì)素改性瀝青在各個(gè)溫度區(qū)間的溫度敏感性不同。

2.4.2施工溫度的確定

施工溫度對(duì)于木質(zhì)素改性瀝青性能的影響是十分顯著的。溫度過高會(huì)導(dǎo)致瀝青過度老化，進(jìn)而影響木質(zhì)素改性瀝青的路用性能，導(dǎo)致各種病害提前出現(xiàn)。當(dāng)瀝青黏度過高時(shí)，為了使瀝青具有施工和易性，往往會(huì)加大施工溫度，溫度過高有可能會(huì)引起基質(zhì)瀝青提前或者過度老化，導(dǎo)致改性后的瀝青性能下降。因此，有必要限制改性瀝青的黏度從而使施工溫度保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)[22]。為此，根據(jù)《瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG F 40—2004)公路瀝青路面施工技術(shù)的規(guī)范，以達(dá)到135 ℃時(shí)布氏旋轉(zhuǎn)黏度為(0.17±0.02)Pa·s 和(0.28±0.02)Pa·s時(shí)的溫度，分別作為木質(zhì)素改性瀝青的拌和溫度和碾壓溫度，利用數(shù)學(xué)回歸的方程得出每一種瀝青的施工溫度數(shù)據(jù)，具體可見表表6。

表6 黏溫曲線確定施工溫度

拌和溫度和碾壓溫度隨木質(zhì)素?fù)搅康脑黾佣黾印Ｍㄟ^對(duì)比發(fā)現(xiàn)可知，在摻量為 3%、6%、9%、12%、15%時(shí)拌和溫度分別提高了4、5、6、7、23 ℃，同樣摻量為 3%、6%、9%、12%、15%時(shí)碾壓溫度提高了 5、5、5、8、21 ℃，隨著木質(zhì)素?fù)搅康某杀对黾?，拌和溫度和碾壓溫度也呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此，在使用過程中需控制木質(zhì)素的摻量，綜合考慮建議木質(zhì)素?fù)搅吭?5%時(shí)的最佳拌和溫度范圍170～178 ℃，最佳壓實(shí)溫度范圍157～163 ℃。比SBS改性瀝青的拌和溫度和碾壓溫度低，原因是SBS改性瀝青比木質(zhì)素改性瀝青的黏度大所引起的。

3 結(jié)論

本文對(duì)不同摻量木質(zhì)素改性瀝青的流變性能進(jìn)行了全面分析，在短期老化作用下，采用溫度掃描、疲勞掃描、布氏黏度試驗(yàn)，全面分析和評(píng)價(jià)了木質(zhì)素改性瀝青的流變性能。綜合所有試驗(yàn)結(jié)果，得到如下結(jié)論：

a.木質(zhì)素可有效提高基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性能、抗老化性能，隨著摻量的增加越發(fā)顯著。

b.通過ZSV試驗(yàn)可知，木質(zhì)素改性瀝青相比于基質(zhì)瀝青具有良好的高溫性能，且Carreau模型能夠較好的評(píng)價(jià)木質(zhì)素改性瀝青的零剪切黏度。

c.由Black圖可知，木質(zhì)素與基質(zhì)瀝青具有較好的相容性，說明木質(zhì)素可以有效提高基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性能、抗老化性能。

d.基質(zhì)瀝青的黏度隨著木質(zhì)素含量的增加而增加，且在一定范圍內(nèi)容，此種改性效果對(duì)瀝青路用性能是有益的。同時(shí)木質(zhì)素改性瀝青在各個(gè)溫度區(qū)間的溫度敏感性是不同的，需要明確合理的施工溫度范圍。

e.木質(zhì)素改性瀝青的施工溫度比基質(zhì)瀝青高，在木質(zhì)素最佳摻量12%時(shí)的施工拌和溫度范圍155～161 ℃，最佳施工壓實(shí)溫度范圍144～150 ℃。