木质素改性沥青高温流变性能及施工温度研究

汪 海,蔡 猛,唐文波,廖春花,程 承

(1.贵州省水城公路管理局，贵州 水城 553000；
2.西南林业大学 土木工程学院，云南 昆明 650224)

沥青作为道路应用最为广泛的一种材料，其路用性能的优劣直接决定了道路的服役寿命和质量。特别是目前在“双碳”战略背景下，对能够满足路面建设可持续发展的道路材料的需求越发急切[1]。沥青在道路使用中会受到温度、水和氧气等自然因素的影响[2-5]。为了提高沥青的高温稳定性能、减少沥青路面的危害，通常向沥青掺入聚乙烯[6]、橡胶粉[7-8]等改性剂；
但是这些改性剂大多数是石油化工类产品，就未来发展趋势而言，此类改性剂的市场和应用范围会受到较大的限制。

木质素是最丰富的生物基聚合物，可在木材工业的副产品中找到，约占每种植物干质量的20%～25%[9]。木质素与沥青的化学结构类似，都是以碳为基础的烃类物质。利用木质素可用于替代部分石油基的黏合剂，以协助沥青工业的可持续发展。因此，近年来专门为路面设计的专用木质素引起了相当大的关注。GAO等[10]发现在不同转速下，木质素的加入均可提高沥青的黏度。同时，木质素改性沥青的黏度仍能满足规范中对沥青黏结剂搅拌和施工的要求。与基质沥青相比，活化能随木质素含量的增加而增加。吴文娟等[11]通过DSC 热分析探讨了改性沥青的共混及老化性能。木质素改性沥青老化后的热稳定性相比于基质沥青有了较为明显的提升，同时低温抗裂性能也得到改善。REN等[12]研究表明沥青中添加木质素会使沥青中的极性组分含量增加，从而加强分子间的相互作用，导致沥青模量增加。同时，木质素的加入提高了沥青的密度、黏结能密度、模量、黏度和黏附性能。CHENG[13]、CAI等[14]发现，木质素用于道路石油沥青的改性，为实现沥青路面低碳建设提供了新的思路，但为能更好地推广其工程应用，对其施工的相关研究尚有不足。

本研究旨在通过动态剪切流变试验(DSR)全面研究木质素改性沥青的流变性能，特别是在短期老化对其流变性能影响的基础上，结合布氏旋转黏度试验(Brookfield)对高温黏度进行测试，采用复数模量 (G*)、相位角(δ)、车辙因子(G*/sinδ)、零剪切黏度(ZSV)、Blacke图对木质素改性沥青的高温流变进行分析，最后基于相关研究成果对施工温度及温度敏感性进行评价，为木质素改性沥青的进一步工业化推广提供参考。

1.1 试验材料

本研究所使用的沥青是广东茂名70#基质沥青。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，对沥青的各项性能进行测试，测试结果如表1所示。本文采用市售木质素，采用过 200目筛的木质素进行试验，其主要技术指标如表2所示。

表1 广东茂名70#基质沥青指标

表2 木质素主要技术指标

1.2 试验方法

取一定质量的沥青在120 ℃烘箱中加热至熔化。将预热沥青分别装在容器中放置烘箱，使其温度保持在150 ℃。将木质素缓慢加入沥青中，用油浴锅加热，保证沥青在150 ℃下用高速剪切机搅拌1 h使木质素添加剂均匀分散在沥青中，制备得到木质素改性沥青。为了确定木质素物理、流变性能的最佳剂量，木质素含量分别占沥青质量分数的3%、6%、9%、12%、15%等5种不同木质素改性沥青进行制备从而用于试验。相关的命名规则如表3所示。

表3 不同木质素掺量的改性沥青的命名

1.2.2老化试验

依据《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE 20—2011)中《沥青旋转薄膜烘箱试验》(T 0610—2011)，先将(35±0.1)g沥青倒入玻璃瓶中，以7个为一组置于旋转烘箱中进行旋转，RTFOT的温度在163 ℃，时间85 min。

1.2.3动态剪切流变试验

采用美国 TA 公司生产的 DHR-1 型动态剪切流变仪进行试验沥青的温度扫描和频率扫描。其中，温度扫描试验通过应变控制方式，目标应变值为12%，加载频率为10 rad/s；
温度范围是30～100 ℃，采样间隔为2 ℃下进行温度扫描测试。频率扫描试验是进行木质素改性沥青的黏弹特性研究，频率扫描的温度为30 ℃和60 ℃，频率范围为0.1～100 rad/s，采用25 mm试验平行板，应变幅值为0.5%。

1.2.4黏温性能

ACEI类的药物可降低血管紧张素Ⅱ浓度，因此最初用于治疗高血压，但在临床长期应用过程中发现其对于肾脏具有明显保护作用。在本次治疗研究中，采取ACEI类药物治疗的IgA肾病患者的临床总有效率达到90.5%以上，显著高于非ACEI类药物治疗的对照组（71.5%），提示该种药物治疗可明显保护肾功能，此外观察组患者的血清清蛋白等水平均明显优于对照组，提示该种药物治疗可降低甚至不利因子水平，进一步保护肾脏，研究结果与刘宏伟报道基本一致[2]。总之，对于IgA肾病治疗，采取ACEI类药物临床疗效显著，保护患者肾功能。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，采用布氏旋转黏度计(Brookfieid)法测量不同掺量下的木质素改性沥青的黏度。研究不同温度下不同掺量的木质素对木质素改性沥青黏度的影响，评价木质素改性沥青的黏温性能，试验采用27#转子，转速为10 r/min。根据不同温度的沥青黏度回归黏温曲线，确定施工温度的合理范围。

2.1 温度扫描试验结果

弹性材料的力学特性随温度变化下可用弹性常数表示，而黏弹材料受温度影响大。对于沥青路面来说，在高温时，为了防止路面在重复荷载作用下发生变形现象，沥青最好具有较高的弹性性能以抵抗变形，反映到流变性能基本参数上就是复数剪切模量G*要大，相位角δ要尽可能的小。为了探究短期老化作用下基质沥青和不同掺量的木质素改性沥青的流变性能变化规律，选取在46～82 ℃温度下不同老化沥青的复数模量(G*)、相位角(δ)的测试结果进行分析，相关结果可见图1。

(a)老化前

从图1可以看出，基质沥青及木质素改性沥青老化后的G*比老化前的显著增大，表明老化作用会使沥青变硬且抵抗变形能力变强。老化前后基质沥青和木质素改性沥青的复数模量G*均随着温度升高而降低，这一结果表明随着温度升高，沥青的流动性增强，其高温抗车辙能力降低。但是在相同的温度范围内木质素改性沥青抗变形能力都高于基质沥青，主要原因是木质素是三维网状结构起到抵抗变形的作用[15]。短期老化作用后，随着温度的升高，基质沥青和木质素改性沥青的相位角均呈上升的趋势，说明升温会加快沥青分子热流动，沥青进入黏流的状态，但是在相同的温度下掺加不同含量木质素的改性沥青的相位角都比基质沥青低，说明木质素可以起到让沥青缓慢趋向于黏性，这一特征随着木质素掺量的增加越发显著。

根据SHRP的沥青PG分级，G*/sinδ作为评价沥青材料抵抗变形能力的指标，其值越大，表明抵抗车辙能力越强。温度扫描试验在46～82 ℃内测试结果如图2所示。

(a)老化前

由图2可知，在短期老化前，随着温度的升高，基质沥青和木质素改性沥青的G*/sinδ值均有减小的趋势，由于温度增高沥青分子间相互作用力在下降，沥青由弹性转变成黏性，使得G*/sinδ值减小，这与实际工程沥青在高温下表现出黏流状态相符合。在测试温度范围内表现出不同掺量木质素的G*/sinδ均高于基质沥青，表明木质素的掺入能够改善沥青的高温抗车辙性能，且这一作用会随着木质素的掺量增加而增加。短期老化后，G*/sinδ均有所提高，但不同的是在测试温度较低的区间范围，除木质素掺量15%的改性沥青外，其他掺量的木质素改性沥青均表现出增长幅度低于基质沥青，表现出木质素的掺入有提高沥青的抗短期老化性能的作用。

2.2 ZSV拟合分析

沥青是一种随剪切速率降低黏度会慢慢增大的非牛顿流体，零剪切黏度(Zero Shear Viscosity)是表示沥青在剪切速率不断减小直到接近于零的平稳黏度值。Sybilski就提出用零剪切黏度来评价沥青的高温性能。利用频率扫描试验，来测定沥青随加载频率变化的黏度，采用Cross和Carreau模型[16]拟合计算得到ZSV (Pa·s)，零剪切黏度越大则表明沥青的高温稳定性能越好。为更好地模拟路面实际高温情况，对短期老化状态下的基质沥青和木质素改性沥青在0.1～100 rad/s范围内进行60 ℃的频率扫描试验。测试结果具体见表4。

表4 不同含量木质素改性沥青ZSV拟合值结果

由表4可知，2种流变模型对木质素改性沥青和基质沥青均有较高的拟合度，相关系数R2都在0.99以上。原样沥青的ZSV最小，老化后的基质沥青比原样沥青ZSV高。且老化后ZSV随着木质素的掺量增大而逐渐变大。两种模型拟合到的ZSV都比老化前高，说明不同掺量的木质素改性沥青的高温性能较基质沥青更好，这与G*/sinδ的试验结果相一致，随着木质素掺量的增加越发显著。对比2种模型拟合出的结果来看，发现Carreau模型拟合出的ZSV 结果较小，与相关研究一致[17]，因此可以认为Carreau模型拟合的ZSV更优，这是由于该模型会使复数黏度拟合曲线在低频区形成平缓曲线[16]。

2.3 Black图

Black曲线可以分析沥青流变性能，通过纵坐标动态模量G*和横坐标相位角δ进行全面描述，用Black图将动态模量和相位角两个参数进行直观的关联[18-20]。在30 ℃和60 ℃下，通过频率扫描对两种沥青和不同掺量木质素的相容性进行分析，具体如图3所示。由图3可知，Black图中呈现为相对平滑的曲线，表明该沥青试样材料在温度变化下不会发生相分离[21]，从中可以看出基质沥青与木质素有较好的相容性，说明了木质素可有效提高基质沥青的高温稳定性能、抗老化性能。

(a)基质沥青

2.4 布氏黏度

2.4.1木质素改性沥青的黏温特性

为明确木质素的掺入对沥青高温黏度和施工温度的影响规律，利用布氏黏度计测试不同掺量木质素改性沥青在115～195 ℃的黏度曲线，具体结果如表5和图4所示。

图4 木质素掺量对黏度的影响

由表5和图4可知，基质沥青和不同掺量的木质素改性沥青随着温度升高，黏度在逐渐下降。在相同的温度下，掺量不同的木质素改性沥青要明显高于基质沥青，且掺量15%的木质素改性沥青黏度处于最高，但是基质沥青和不同掺量木质素改性沥青的黏度随温度变化趋势不同，基质沥青下降趋势是比较平稳的。除了掺量15%的木质素改性沥青外，其他不同掺量木质素在温度在115～135 ℃时候，黏度迅速下降。当温度大于135 ℃时，黏度下降的速率趋于变缓，主要是在135 ℃附近，沥青发生了由黏弹性向黏流性的转变。当试验温度相同时，随着木质素掺量的增多，沥青温度逐渐升高，其抗剪能力得到提升，这时木质素改性沥青对高温稳定性是有利的。而不同掺量木质素改性沥青在175 ℃下降急剧，这反映出基质沥青和不同掺量的木质素改性沥青在各个温度区间的温度敏感性不同。

2.4.2施工温度的确定

施工温度对于木质素改性沥青性能的影响是十分显著的。温度过高会导致沥青过度老化，进而影响木质素改性沥青的路用性能，导致各种病害提前出现。当沥青黏度过高时，为了使沥青具有施工和易性，往往会加大施工温度，温度过高有可能会引起基质沥青提前或者过度老化，导致改性后的沥青性能下降。因此，有必要限制改性沥青的黏度从而使施工温度保持在一个合理的范围内[22]。为此，根据《沥青混合料试验规程》(JTG F 40—2004)公路沥青路面施工技术的规范，以达到135 ℃时布氏旋转黏度为(0.17±0.02)Pa·s 和(0.28±0.02)Pa·s时的温度，分别作为木质素改性沥青的拌和温度和碾压温度，利用数学回归的方程得出每一种沥青的施工温度数据，具体可见表表6。

表6 黏温曲线确定施工温度

拌和温度和碾压温度随木质素掺量的增加而增加。通过对比发现可知，在掺量为 3%、6%、9%、12%、15%时拌和温度分别提高了4、5、6、7、23 ℃，同样掺量为 3%、6%、9%、12%、15%时碾压温度提高了 5、5、5、8、21 ℃，随着木质素掺量的成倍增加，拌和温度和碾压温度也呈现出增长趋势。因此，在使用过程中需控制木质素的掺量，综合考虑建议木质素掺量在15%时的最佳拌和温度范围170～178 ℃，最佳压实温度范围157～163 ℃。比SBS改性沥青的拌和温度和碾压温度低，原因是SBS改性沥青比木质素改性沥青的黏度大所引起的。

本文对不同掺量木质素改性沥青的流变性能进行了全面分析，在短期老化作用下，采用温度扫描、疲劳扫描、布氏黏度试验，全面分析和评价了木质素改性沥青的流变性能。综合所有试验结果，得到如下结论：

a.木质素可有效提高基质沥青的高温稳定性能、抗老化性能，随着掺量的增加越发显著。

b.通过ZSV试验可知，木质素改性沥青相比于基质沥青具有良好的高温性能，且Carreau模型能够较好的评价木质素改性沥青的零剪切黏度。

c.由Black图可知，木质素与基质沥青具有较好的相容性，说明木质素可以有效提高基质沥青的高温稳定性能、抗老化性能。

d.基质沥青的黏度随着木质素含量的增加而增加，且在一定范围内容，此种改性效果对沥青路用性能是有益的。同时木质素改性沥青在各个温度区间的温度敏感性是不同的，需要明确合理的施工温度范围。

e.木质素改性沥青的施工温度比基质沥青高，在木质素最佳掺量12%时的施工拌和温度范围155～161 ℃，最佳施工压实温度范围144～150 ℃。

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