摘要：文章采用三大指標(biāo)試驗(yàn)、離析試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗(yàn)和彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)，對(duì)硅藻土改性生物瀝青（DBA）的物理性能和流變特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并基于傅里葉紅外光譜（FTIR）試驗(yàn)對(duì)DBA的化學(xué)組成進(jìn)行分析。結(jié)果表明：硅藻土的添加能提高生物瀝青的軟化點(diǎn)和車轍因子，降低其針入度，即硅藻土能改善生物瀝青的高溫穩(wěn)定性；硅藻土的摻入雖然增加了瀝青的蠕變勁度，降低了其m值和延度，但DBA在低溫下的流變特性仍優(yōu)于基質(zhì)瀝青；硅藻土、生物油和瀝青的混合是物理改性，且三者混合后具有較好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：道路工程；改性瀝青；生物油；硅藻土；性能評(píng)價(jià)

U416.03A240763

0 引言

隨著瀝青路面建設(shè)和養(yǎng)護(hù)的快速發(fā)展，長壽命瀝青路面的耐久性研究已經(jīng)廣泛開展［1-2］。瀝青路面的主要病害包括疲勞開裂、低溫開裂和車轍變形，而瀝青作為瀝青混合料的重要組成部分，其流變性能對(duì)減少路面病害起著關(guān)鍵作用［3-4］。隨著不可再生資源的消耗，可持續(xù)性公路建設(shè)的發(fā)展，尋找道路石油瀝青替代品已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。近年來，生物油因其就地取材、成本低廉的特點(diǎn)而用于瀝青材料的制備，如蓖麻油、廢機(jī)油和廢食用油等［5］。然而，生物油作為石油基瀝青替代品的應(yīng)用難點(diǎn)在于，不同種類、不同來源的生物油對(duì)石油基瀝青的流變性能影響不同，且大多數(shù)生物油對(duì)瀝青的高溫穩(wěn)定性不利［6-7］。為改善生物瀝青的流變性能，眾多道路研究者開發(fā)了多種復(fù)合改性瀝青技術(shù)，但這些研究大多是針對(duì)生物瀝青單一缺陷的改性方法［8-9］。因此，開發(fā)一種具有抗車轍和耐老化好的復(fù)合生物瀝青材料具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益。

與當(dāng)今常用的聚合物改性劑相比，硅藻土是一種低廉的無機(jī)礦物改性材料，其具有表面活性大、多孔、硬度高等特性［10］。有研究表明硅藻土可以顯著改善瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗老化性能，也被廣泛用于單一改性或復(fù)合改性瀝青技術(shù)［11］。綜上所述，雖然硅藻土改性瀝青或生物瀝青的流變性能已被廣泛研究，但針對(duì)硅藻土改性生物瀝青（DBA）的研究較少，極大地限制了生物瀝青作為石油基瀝青替代品的廣泛應(yīng)用。因此，本文通過制備不同摻量下的DBA，采用一系列的瀝青試驗(yàn)，如三大指標(biāo)試驗(yàn)、離析試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗(yàn)、彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)和傅里葉紅外光譜（FTIR）試驗(yàn)等，全面評(píng)價(jià)DBA的路用性能，以此驗(yàn)證其用作路面材料的可行性。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用湖南某材料有限公司提供的70#道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其基本性能如表1所示。硅藻土購自湖南某材料有限公司，其最大粒徑為19" μm，堆積密度為0.29 g/cm3，pH值為7.2。

使用的生物油為河北某生物科技有限公司生產(chǎn)的蓖麻油，是由蓖麻籽在精煉蓖麻油過程中產(chǎn)生脂肪酸，再經(jīng)過物化處理而得到的，其基本性能如表2所示。

1.2 改性瀝青制備

將基質(zhì)瀝青放入烘箱加熱至流動(dòng)狀態(tài)，將定量的生物油（與基質(zhì)瀝青質(zhì)量比分別為0、5%、10%和15%）緩慢加入到基質(zhì)瀝青中，采用高速剪切儀對(duì)其在4 000 r/min的轉(zhuǎn)速下剪切30 min，剪切溫度設(shè)置為150 ℃。將定量的硅藻土（與基質(zhì)瀝青質(zhì)量比分別為0、4%、8%和12%）緩慢添加到生物瀝青中，再用玻璃棒手動(dòng)攪拌直至硅藻土與生物瀝青混合均勻。將DBA以4 000 r/min的剪切速率剪切60 min，剪切溫度設(shè)置為160 ℃。為簡化文中有關(guān)DBA的表達(dá)，本次制備的瀝青試樣縮寫如表3所示。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）物理性能：采用針入度、軟化點(diǎn)、延度、儲(chǔ)存穩(wěn)定性等一系列常規(guī)試驗(yàn)對(duì)DBA的物理性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)AASHTO T240標(biāo)準(zhǔn)，采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)?zāi)M瀝青的短期老化過程。根據(jù)AASHTO R28標(biāo)準(zhǔn)，將短期老化后的瀝青試樣在壓力老化儀中以100 ℃的溫度處理20 h，得到長期老化瀝青試樣。

（2）流變性能：基于AASHTO T315標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)DBA的高溫流變特性采用DSR試驗(yàn)的溫度掃描模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，溫度范圍為40 ℃～76 ℃，升溫速率為2 ℃/min，加載頻率為10 rad/s，在應(yīng)變振蕩模式下，以12%的應(yīng)變控制值，對(duì)未老化瀝青和短期老化瀝青進(jìn)行了試驗(yàn)。同時(shí)，為評(píng)估長期老化后DBA的低溫流變特性，進(jìn)行BBR試驗(yàn)并將m值和蠕變勁度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，BBR試驗(yàn)的測(cè)試溫度分別為-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃。

（3）化學(xué)性能：采用尼科萊光譜儀對(duì)瀝青的FTIR試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，F(xiàn)TIR光譜的波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 三大指標(biāo)

如圖1所示為DBA的三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果。由圖1（a）可知，隨著生物油摻量的增加，瀝青的針入度逐漸增大，說明生物油的添加對(duì)瀝青具有軟化作用，即生物油的輕質(zhì)組分能改變?yōu)r青的四組分比例。同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)，在生物油摻量相同的情況下，DBA的針入度隨硅藻土摻量的增加而降低，如D0/B15的針入度＞100（0.1 mm），而D12/B15的針入度＜80（0.1 mm），說明硅藻土能增加生物瀝青的剛度，提高生物瀝青的抗變形能力。這是因?yàn)楣柙逋帘砻婢哂性S多微孔結(jié)構(gòu)，能吸收生物瀝青的輕質(zhì)組分，使瀝青基體中瀝青質(zhì)比例增加，從而增強(qiáng)瀝青的剛度。

從圖1（b）可以看出，隨著生物油摻量的增加，瀝青的軟化點(diǎn)逐漸降低。硅藻土摻量相同的情況下，DBA的軟化點(diǎn)隨生物油摻量的增加而降低。這是因?yàn)樯镉椭休p質(zhì)組分的比例較高，添加生物油后瀝青中瀝青質(zhì)的相對(duì)比例降低，瀝青基體呈溶膠型結(jié)構(gòu)，從而降低了高溫穩(wěn)定性。相反，隨著硅藻土摻量的增加，DBA的軟化點(diǎn)增大，說明硅藻土增強(qiáng)了生物瀝青在高溫下的抗流動(dòng)變形能力。

由圖1（c）可以看出，隨著生物油摻量的增加，瀝青的延度逐漸降低，說明生物瀝青的延度低于基質(zhì)瀝青。這是因?yàn)樯餅r青中含有相當(dāng)多的雜質(zhì)成分，導(dǎo)致瀝青試樣在拉伸過程中應(yīng)力集中，從而降低其延度。硅藻土同時(shí)也降低了生物瀝青的延度，這是因?yàn)楣柙逋恋奶砑訒?huì)使瀝青變硬。由于材料特性使得延度試驗(yàn)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，不能真實(shí)表征DBA的低溫流變性能，因此應(yīng)通過BBR試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 高溫性能

不同摻量硅藻土+10%生物油的DBA車轍因子試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，無論是否進(jìn)行短期老化，所有瀝青試樣的車轍因子都隨著溫度的升高而逐漸減小。這表明測(cè)試溫度越高，DBA的高溫穩(wěn)定性越低。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，DBA會(huì)逐漸軟化而不利于高溫穩(wěn)定性。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)DBA的車轍因子隨硅藻土摻量的增加而增加。在相同試驗(yàn)溫度下，D0/B10的車轍因子最低，D8/B10和D4/B10次之，D12/B10的車轍因子最高。這是因?yàn)楣柙逋令w?？梢蕴岣邽r青的粘聚力，還能吸收生物油中的輕質(zhì)組分，從而增加瀝青剛度，改善其在高溫下抗車轍變形的能力。

2.3 低溫性能

不同摻量硅藻土+10%生物油的DBA的低溫試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，生物油的添加顯著降低了基質(zhì)瀝青的蠕變勁度，增大了m值，說明生物油可以增強(qiáng)瀝青的低溫流變性能。還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)溫度從-12 ℃降低到-24 ℃時(shí)，DBA的蠕變勁度增大，m值減小。這說明基質(zhì)瀝青的低溫抗裂性隨著溫度的降低而減弱，這是由于在低溫下瀝青的黏性成分增大，而彈性成分減少所致。由此說明，溫度變化對(duì)蠕變勁度的影響比m值更為明顯，即蠕變勁度對(duì)溫度的敏感性高于m值。此外，隨著硅藻土摻量的增加，DBA的蠕變勁度增大，而m值減小。這表明硅藻土可能不利于瀝青的低溫特性，這是因?yàn)楣柙逋僚c瀝青形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)使瀝青變硬變脆，降低了瀝青在低溫下的應(yīng)力松弛性能和抗彎曲蠕變性能。

2.4 相容性能

一般情況下，在改性或復(fù)合改性瀝青的制備和使用過程中，因改性劑與瀝青之間存在密度差，二者可能存在一定程度的相分離現(xiàn)象，目前一般用改性瀝青上下部分的軟化點(diǎn)差值來評(píng)價(jià)其儲(chǔ)存穩(wěn)定性，DBA的離析試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，隨著生物油摻量的增加，DBA的軟化點(diǎn)差值減小。當(dāng)硅藻土摻量相同且生物油摻量從0到5%時(shí)，DBA的軟化點(diǎn)差值從1.9 ℃降低到1.1 ℃。這說明生物油的添加提高了硅藻土改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。這是因?yàn)橛捎谏镉偷南♂屪饔?，能使得硅藻土更均勻地分散在瀝青基體中。根據(jù)《公路水泥路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），在聚合物改性瀝青的離析試驗(yàn)中，軟化點(diǎn)差值要求≤2.5 ℃。由表4可知，DBA的軟化點(diǎn)差值均＜2.5 ℃，說明DBA作為瀝青材料的儲(chǔ)存穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

2.5 化學(xué)性能

基質(zhì)瀝青、生物瀝青和DBA的FTIR試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，基質(zhì)瀝青的兩個(gè)主要吸收峰位于2 920 cm-1和2 850 cm-1，是由亞甲基CH2的伸縮振動(dòng)所引起的，而1 600 cm-1處的吸收峰是由C=C鍵的拉伸振動(dòng)引起的，1 450 cm-1和1 380 cm-1處的吸收峰分別由甲基CH3的不對(duì)稱彎曲振動(dòng)和對(duì)稱彎曲振動(dòng)引起。另外，1 032 cm-1處的吸收峰是由烷烴亞砜基和芳烴亞砜基的S=O拉伸振動(dòng)引起的。

圖4 基質(zhì)瀝青、生物油與DBA的FTIR試驗(yàn)結(jié)果圖

由圖4還可知，與基質(zhì)瀝青相比，生物瀝青的FTIR光譜中沒有出現(xiàn)新的峰，區(qū)別在于生物瀝青在1 700 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度增加，這是由于C=O鍵的拉伸振動(dòng)造成的。此外，可以發(fā)現(xiàn)DBA的FTIR光譜與另兩種瀝青相似，而DBA在1 032 cm-1處的峰值強(qiáng)度增加，這是由于硅藻土的Si-O拉伸振動(dòng)所引起，該位置為1 032 cm-1接近Si-O吸收峰的位置，即硅藻土的FTIR光譜和基質(zhì)瀝青的FTIR光譜疊加效應(yīng)。綜上所述，硅藻土、生物油和瀝青之間的耦合作用主要是物理反應(yīng)。

3 結(jié)語

（1）結(jié)合三大指標(biāo)和DSR試驗(yàn)結(jié)果表明，硅藻土能增強(qiáng)生物瀝青的抗高溫變形能力。

（2）硅藻土雖然增加了生物瀝青的軟化點(diǎn)差，但DBA的儲(chǔ)存穩(wěn)定性仍然滿足規(guī)范要求。

（3）硅藻土的加入可能會(huì)削弱生物瀝青的低溫特性，而生物油與硅藻土的復(fù)合改性仍能顯著提高瀝青的低溫性能。

（4）FTIR試驗(yàn)結(jié)果表明，DBA的官能團(tuán)與基質(zhì)瀝青和生物瀝青相比沒有變化，即硅藻土、生物油和瀝青基體之間的改性是物理相互作用。

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