摘要
为了提升生物沥青与集料的黏附性能、提高生物沥青在工程中的实际应用效果,采用硅藻土对生物沥青进行改性研究。通过三大指标试验和布氏旋转黏度试验对硅藻土改性生物沥青的物理性能进行评价;采用改进水煮法评价硅藻土改性生物沥青与石灰岩的黏附性;基于表面自由能理论,通过躺滴法测定硅藻土改性生物沥青与测试液体的接触角,计算表面能、黏聚功、黏附功与剥落功。结果表明,硅藻土能够改善生物沥青的物理性能,提高软化点并降低了针入度,延度先降低后略微提升;黏度随着硅藻土掺量的增加而增大,但掺量超过17%后,黏度几乎不再增大;水煮试验中的沥青质量损失率在硅藻土掺量为17%时达到最小,与原生物沥青相比下降了36.44%;硅藻土能有效提升生物沥青的表面能、黏附功与黏聚功并降低剥落功;无量纲能量参数(ER)在硅藻土掺量为17%时达到最大。
随着我国公路网建设的逐渐完善,公路石油沥青消耗量巨大,石油资源的再生周期漫长,且原油加工过程会对环境造成较大污染。所以,寻求石油沥青的可替代材料对于道路建设领域有着重大的意
目前,研究者也开始着力于改善生物沥青与集料的黏附性能。马明
1)生物质油:研究所采用的生物质油来源于河北某生物质能源企业,其原料为木屑,常温下为黑色膏状物。
2)石油沥青:70#鑫海石油沥青,技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)的规定,如
检测项目 | 试验结果 |
---|---|
25 ℃针入度/(0.1mm) | 73.4 |
软化点/℃ | 49.6 |
10 ℃延度/cm | 46.0 |
3)硅藻土:研究采用的硅藻土来源于青岛盛泰硅业有限公司,颜色为灰白色,pH值为5~7,SiO2≥85%,含有少量的FeO2、Al2O3。
研究中,生物质油掺量为石油沥青质量的10%。首先,将石油沥青放入恒温烘箱内,待石油沥青被加热达到流动态后,将预热至110 ℃的生物质油匀速地加入至石油沥青中,在135 ℃、3 000 r/min的条件下,剪切30 min制备得到生物沥青:再分别以石油沥青质量的11%、13%、15%、17%和19%的硅藻土加入到生物沥青中,继续剪切20 min得到硅藻土改性生物沥青,在制备过程中使用玻璃棒不断搅拌混合。
对不同掺量硅藻土制备得到的硅藻土改性生物沥青进行25 ℃针入度、软化点与10 ℃延度等基本物理性能指标试验,分别按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG-E20-2011)中T0604、T0606和T0605进行。
采用布洛克菲尔德黏度仪(Brookfield DV-Il+Pro型)对基质沥青、生物沥青(BIO)和硅藻土改性生物沥青在135 、145 、155 、165 、175 ℃进行黏度测试,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG-E20-2011)中T0625进行。
传统水煮法试验难以精确掌控,评价指标无法定量且主观影响很
按照
, | (1) |
式中:M1为石料初始质量;M2为石料裹覆沥青冷却后的质量;M3为水煮试验后石料干燥冷却的质量。
F/% | 黏附等级 | 沥青薄膜在集料表面的剥落情况描述 |
---|---|---|
≤5 | 10 | 沥青薄膜完好 |
5~10 | 9 | 沥青薄膜完好,边角有极少剥落 |
10~15 | 8 | 沥青薄膜基本完好,部分表面有少量剥落 |
15~20 20~30 |
7 6 | 沥青薄膜部分剥落,集料表面裸露面积为15%~30% |
30~40 40~50 |
5 4 | 沥青薄膜大量剥落,集料表面裸露面积为30%~60% |
50~60 60~70 |
3 2 | 沥青薄膜大面积剥落,集料表面裸露面积超过60% |
>70 | 1 | 沥青薄膜大面积剥落,集料表面裸露面积超过70% |
采用躺滴法对沥青表面能参数进行测试。将制备好的硅藻土改性生物沥青用玻璃棒滴到载玻片上,将载玻片放置于加热炉上使沥青加热达到流动态,使沥青在载玻片上形成光滑的平面,在沥青冷却后,放置于干燥无尘的容器中,即可获得接触角试件。
采用DAS30接触角测定仪测定25 ℃下蒸馏水、甲酰胺和乙二醇3种测试液体与沥青的接触角,测试过程如

图1 光学接触角仪
Fig. 1 Optical contact angle instrument

图2 接触角测定
Fig. 2 Contact angle determination
测试液体 | |||||
---|---|---|---|---|---|
蒸馏水 | 72.8 | 21.8 | 51.0 | 25.50 | 25.5 |
甲酰胺 | 58.0 | 39.0 | 19.0 | 2.28 | 39.6 |
乙二醇 | 48.0 | 29.0 | 19.0 | 1.92 | 47.0 |
注: 为测试液体的表面自由能;为测试液体的色散分量;为测试液体的极性分量;为测试液体的路易斯酸分量;为测试液体的路易斯碱分量。
沥青的针入度、软化点、延度等指标分别对沥青的稠度、高温稳定性与塑性等进行表征。不同掺量的硅藻土对生物沥青三大指标影响结果,如
沥青类型 | 25 ℃针入度/0.1mm | 软化点/℃ | 10 ℃延度/cm |
---|---|---|---|
BIO | 78.0 | 48.6 | 40.5 |
BIO+11% | 72.8 | 50.9 | 28.4 |
BIO+13% | 72.1 | 51.5 | 24.6 |
BIO+15% | 70.8 | 51.7 | 22.5 |
BIO+17% | 67.3 | 52.0 | 27.0 |
BIO+19% | 65.4 | 52.1 | 28.0 |
针入度能够反映沥青自身的稠度,是我国沥青标号划分的主要依据。结果表明,随着硅藻土掺量的增大,针入度逐步下降。
软化点是反映石油沥青高温性能的重要指标,软化点越高,说明沥青的热稳定性能越好。可以看出,随着硅藻土掺量的增加,改性生物沥青的软化点逐渐升高,高温性能得到提升,但增长趋势较为平缓,相较于原生物沥青的软化点提升了7%左右。
延度是反映沥青低温性能的重要指标,延度越大,沥青的低温性能越好。结合
沥青作为一种黏弹性材料,其黏度对温度十分敏感,是影响沥青胶结料与集料之间黏附性的重要因素之一。沥青自身黏度的增大有利于增强自身与集料之间黏附性,因为沥青黏度越大说明其重质组分含量越多,与集料的化学吸附能力越强,会使集料表面的沥青膜有效厚度增

图3 硅藻土掺量对生物沥青黏度的影响
Fig. 3 Influence of the content of diatomite on the viscosity of bio-asphalt
各组生物沥青水煮试验结果,如
沥青类型 | 水煮3 min | 水煮6 min | 水煮9 min | 水煮12 min | 水煮15 min | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
黏附等级 | F/% | 黏附等级 | F/% | 黏附等级 | F/% | 黏附等级 | F/% | 黏附等级 | F/% | |
70#鑫海 | 10 | 1.29 | 9 | 5.85 | 7 | 17.20 | 5 | 28.20 | 4 | 39.08 |
BIO | 9 | 5.57 | 9 | 9.14 | 6 | 23.98 | 4 | 40.89 | 3 | 57.20 |
BIO+11% | 10 | 1.15 | 9 | 5.70 | 8 | 12.00 | 6 | 23.60 | 5 | 39.50 |
BIO+13% | 10 | 2.87 | 10 | 4.69 | 8 | 12.28 | 6 | 22.48 | 5 | 35.15 |
BIO+15% | 10 | 1.67 | 10 | 2.54 | 8 | 10.11 | 7 | 18.02 | 6 | 26.16 |
BIO+17% | 10 | 1.90 | 10 | 4.37 | 8 | 11.36 | 6 | 13.21 | 6 | 20.76 |
BIO+19% | 10 | 1.78 | 10 | 3.62 | 8 | 10.73 | 6 | 20.46 | 6 | 29.16 |
由
通过测试得到的接触角,计算出不同硅藻土掺量下生物沥青的表面能、极性分量与色散分量。结合杨氏方程计算得到生物沥青的黏聚功、生物沥青与集料的黏附功与剥落功,采用无量纲能量参数ER对生物沥青-集料界面体系的水稳定性进行综合全面地评价,ER如
。 | (2) |
根据测试得到液体与沥青的接触角与测试液体的表面能参数,可得到各组生物沥青的表面能参数,结果如

图4 各组生物沥青表面能参数
Fig. 4 Bio-asphalt surface energy parameters of each group
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;极性分量越大,沥青越容易遭到水分浸入,从集料表面剥离。由
沥青黏聚功是指将单位面积的沥青分为2个表面的能量,黏聚功越大,沥青抵抗水分的能力越强。由于黏聚功在数值上为表面自由能的2倍,黏聚功与表面自由能的变化趋势相同。由

图5 硅藻土改性生物沥青的黏聚功
Fig. 5 Cohesion work of bio-asphalt modified by diatomite
黏附功是指无水条件下沥青与集料两个表面体系结合成为一个表面体系所释放出的能量,黏附功越大表明体系越稳定,沥青混合料的水稳定性越好。由

图6 硅藻土改性生物沥青的黏附功
Fig. 6 Adhesion work of bio-asphalt modified by diatomite
剥落功表征的是有水条件下沥青-集料-水3种体系的作用过程,剥落功越大则表明水分更容易替代沥青膜,沥青与集料的黏结效果更差。从

图7 硅藻土改性生物沥青的剥落功
Fig. 7 Spalling work of bio-asphalt modified by diatomite
1)硅藻土能够改善生物沥青的物理性能,改性生物沥青的针入度下降,软化点提升约7%,而延度先降低后提升。
2)改性生物沥青的黏度随着硅藻土掺量的增加而增大,但在掺量超过17%后,黏度几乎不再增大。
3)硅藻土能够提升生物沥青与集料的黏附性,17%硅藻土掺量时的改进水煮试验中的沥青质量损失率相较于原生物沥青下降了36.44%。
4)相较于生物沥青,17%硅藻土掺量时的改性生物沥青的表面能和黏聚功提高了137.1%,黏附功提高了28.6%,而剥落功下降了27.4%,ER值达到最大。
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