草木灰和消石灰改性瀝青性能對(duì)比研究

彭輝彬

(湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

瀝青路面因其具有噪聲低、耐磨性好、行車舒適、維護(hù)方便等特點(diǎn)而作為主要的路面類型之一廣泛應(yīng)用于路面建設(shè)中。然而，作為路面材料重要組成部分的瀝青膠結(jié)料在路面服役過(guò)程中，其組成和結(jié)構(gòu)易受熱、氧、水、紫外線、車輛荷載等因素影響而發(fā)生改變，導(dǎo)致其性能劣化而引起整個(gè)路面產(chǎn)生車轍、疲勞、水損、老化等病害，嚴(yán)重?fù)p害瀝青路面的服役壽命。

消石灰是由生石灰經(jīng)水化后得到的一種以氫氧化鈣為主要成分的無(wú)機(jī)材料。因其在改善瀝青材料抗水損、抗老化、阻燃等方面的突出表現(xiàn)而作為一種多功能添加劑應(yīng)用于瀝青路面材料的改性研究。目前，消石灰用于改性瀝青材料主要通過(guò)3種方式：一是在瀝青混合料拌和過(guò)程中用消石灰替代部分礦粉充當(dāng)填料；二是利用石灰水對(duì)石料表面進(jìn)行預(yù)處理；三是將消石灰加入瀝青膠結(jié)料中制備成消石灰改性瀝青。李萍等通過(guò)車轍、低溫彎曲和浸水馬歇爾試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在瀝青混合料中摻加消石灰可提高瀝青混合料的高、低溫和水穩(wěn)定性；呂捷等通過(guò)紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)消石灰的摻入可有效抑制瀝青紫外老化后羰基氧化產(chǎn)物的生成，從而改善瀝青抗紫外老化的性能；朱凱等采用極限氧指數(shù)、錐形量熱儀、熱重-差熱試驗(yàn)對(duì)消石灰改性瀝青的燃燒特性進(jìn)行表征。研究發(fā)現(xiàn)，消石灰在反應(yīng)初期通過(guò)抑制可燃揮發(fā)組分的析出起到阻燃作用；在燃燒過(guò)程中，消石灰會(huì)進(jìn)一步發(fā)生碳酸化反應(yīng)，形成致密的碳酸鹽阻隔層，起到阻隔熱質(zhì)交換和抑制瀝青質(zhì)燃燒的作用；張祥等研究了消石灰提高瀝青與石料黏附性的機(jī)理。研究認(rèn)為，消石灰主要通過(guò)與瀝青中的弱酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成不溶性的有機(jī)鈣鹽增加瀝青與石料表面的黏附性；朱紅斌認(rèn)為消石灰之所以能改善瀝青的抗老化性能主要是因?yàn)橄铱膳c瀝青中的極性成分發(fā)生反應(yīng)，中和后的極性成分被強(qiáng)烈地吸附在消石灰顆粒表面，抑制了熱老化過(guò)程中輕質(zhì)組分的揮發(fā)，也阻礙了與氧的接觸，從而減緩了瀝青的老化速率。此外，研究還認(rèn)為消石灰的高空隙率也是影響消石灰改性效果的重要因素。

草木灰是植物燃燒后的殘余物。類似消石灰，草木灰也是一種呈堿性的無(wú)機(jī)材料，主要成分是碳酸鉀。隨著生物發(fā)電行業(yè)和農(nóng)村新能源工程的迅猛發(fā)展，秸稈發(fā)電后產(chǎn)生了大量的草木灰殘余物?；诓菽净遗c消石灰具有質(zhì)輕、無(wú)機(jī)、呈堿性等相似性質(zhì)，該文提出類比消石灰，將草木灰摻入到瀝青中用于瀝青的改性，并進(jìn)行草木灰和消石灰改性瀝青的性能對(duì)比研究。該研究不僅有利于新的瀝青改性劑的研發(fā)，也有助于實(shí)現(xiàn)草木灰的資源化利用。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

重交70#基質(zhì)瀝青，其基本性質(zhì)如表1所示；氫氧化鈣[分析純，Ca(OH)2]含量≥95%；草木灰為秸稈燃燒后的殘余物。

表1 重交70#基質(zhì)瀝青的基本物理性質(zhì)

1.2 瀝青制備

首先在150 ℃下將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)，然后將一定摻量(w改性劑/w基質(zhì)瀝青=5%、10%、15%)的消石灰和草木灰分別摻入熔融瀝青中，并在150 ℃、4 000 r/min的條件下高速剪切30 min，制備出含不同改性劑摻量的消石灰改性瀝青和草木灰改性瀝青。作為空白樣，未加改性劑的基質(zhì)瀝青也經(jīng)歷上述相同的制備過(guò)程。

1.3 瀝青老化

按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0609-2011瀝青薄膜加熱試驗(yàn)和T0630-2011壓力老化容器加速瀝青老化試驗(yàn)分別對(duì)瀝青樣品進(jìn)行短期老化和長(zhǎng)期老化。短期老化為約3.2 mm厚的瀝青膜在163 ℃的烘箱中老化5 h。長(zhǎng)期老化為經(jīng)歷短期老化后的瀝青樣品在2.1 MPa、100 ℃壓力老化箱中老化20 h。

1.4 性能測(cè)試

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的規(guī)定，利用Brookfield黏度計(jì)測(cè)量135 ℃瀝青樣品的旋轉(zhuǎn)黏度。

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)老化前后的瀝青樣品進(jìn)行溫度掃描，溫度掃描范圍為30～90 ℃；為確保瀝青黏彈性響應(yīng)在線黏彈性范圍內(nèi)，應(yīng)變?cè)O(shè)置為1%；角頻率設(shè)為10 rad/s；選用25 mm轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與固定板間隙設(shè)定為1 mm。

將適量消石灰和草木灰分別與溴化鉀粉末混合并壓制成薄片，用于測(cè)定消石灰和草木灰的紅外光譜圖。對(duì)于消石灰和草木灰改性瀝青紅外光譜的測(cè)量，則是將適量熔融的改性瀝青直接滴在溴化鉀薄片上形成瀝青膜再置于傅里葉變換紅外光譜儀中進(jìn)行掃描。紅外光譜掃描次數(shù)為32次，分辨率為4 cm-1，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

采用凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)消石灰和草木灰改性瀝青的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)?；旌狭辖y(tǒng)一采用AC-13型密級(jí)配，集料為玄武巖，瀝青含量為4.7%。對(duì)于各瀝青樣品而言，制備兩組馬歇爾試件，其中一組試件在飽水真空試驗(yàn)后用塑料袋包裹，在-18 ℃下冰凍16 h，再在60 ℃水浴箱中放置24 h；另一組未經(jīng)歷上述凍融處理。最后，兩組試件一起在25 ℃水浴中保溫2 h后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。利用凍融前后試件拉伸強(qiáng)度比(TSR)來(lái)評(píng)價(jià)樣品的水穩(wěn)定性：

(1)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 旋轉(zhuǎn)黏度

瀝青是一種對(duì)溫度敏感的黏彈性材料。高溫時(shí)瀝青的黏度越大，表明瀝青抵抗高溫剪切變形的能力越強(qiáng)，瀝青發(fā)生高溫車轍病害的可能性就越小。消石灰和草木灰對(duì)瀝青高溫黏度的影響如圖1所示。

圖1 消石灰和草木灰對(duì)瀝青高溫黏度的影響

由圖1可得：無(wú)論是摻入消石灰還是草木灰，都可以提高瀝青的高溫黏度，并且隨著各自摻量的增加，黏度改善效果愈明顯。有研究表明：消石灰對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性的改善一方面是消石灰相當(dāng)于普通填料，在瀝青相中能起到阻礙瀝青分子運(yùn)動(dòng)的作用；另一方面消石灰可與瀝青中的極性成分發(fā)生反應(yīng)，使部分瀝青組分吸附在消石灰顆粒表面；此外，消石灰碳化后的產(chǎn)物也能起到阻礙瀝青分子運(yùn)動(dòng)的作用。與消石灰改性瀝青對(duì)比，在同一摻量下，草木灰改性瀝青具有相似的黏度，說(shuō)明在改善瀝青高溫穩(wěn)定性方面，草木灰和消石灰具有相似的效果。草木灰除了能像普通填料在瀝青相中起到物理阻礙瀝青分子運(yùn)動(dòng)的作用外，可能也會(huì)像消石灰一樣與瀝青中的酸性成分發(fā)生反應(yīng)，從而進(jìn)一步起到改善瀝青高溫流動(dòng)性的作用。

2.2 流變性能

流變是表征瀝青黏彈性能的有效方式。在評(píng)價(jià)瀝青流變性能的指標(biāo)中，復(fù)數(shù)模量和相位角最為常用。復(fù)數(shù)模量能表征瀝青總的抵抗剪切變形的能力，而相位角能表征瀝青中黏、彈性成分的比例。消石灰和草木灰對(duì)老化前瀝青復(fù)數(shù)模量的影響如圖2所示。

由圖2可知：各瀝青樣品的復(fù)數(shù)模量均隨著溫度的升高而下降。與基質(zhì)瀝青相比，草木灰和消石灰改性瀝青表現(xiàn)出更大的復(fù)數(shù)模量，且數(shù)值隨各自摻量的增加而增加，這一趨勢(shì)同黏度結(jié)果一致。

消石灰和草木灰對(duì)老化前瀝青相位角的影響如圖3所示。

圖2 草木灰和消石灰對(duì)老化前瀝青復(fù)數(shù)模量的影響

圖3 草木灰和消石灰對(duì)老化前瀝青相位角的影響

由圖3可知：草木灰和消石灰在10%的摻量?jī)?nèi)對(duì)基質(zhì)瀝青的相位角影響不明顯。當(dāng)摻量為15%時(shí)，草木灰和消石灰改性瀝青在30～50 ℃表現(xiàn)出比基質(zhì)瀝青更小的相位角。

車轍因子(G*/sinδ)是美國(guó)Superpave 規(guī)范中用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料高溫性能的流變指標(biāo)。對(duì)于未老化的瀝青樣品，車轍因子等于1 kPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度稱為Superpave瀝青性能分級(jí)(Performance Grade，PG)的高溫臨界溫度。該溫度越高，表明瀝青的高溫性能越好。消石灰和草木灰對(duì)未老化瀝青高溫PG分級(jí)溫度的影響如圖4所示。

由圖4可知：該分級(jí)溫度的結(jié)果同前文黏度和復(fù)數(shù)模量的結(jié)果一致。當(dāng)草木灰和消石灰摻量為15%時(shí)，各自改性瀝青的臨界溫度比基質(zhì)瀝青分別高出2.6和2.8 ℃，再次說(shuō)明草木灰和消石灰對(duì)改善瀝青高溫性能具有相似的效果。

圖4 消石灰和草木灰對(duì)未老化瀝青高溫PG分級(jí)溫度的影響(注：G*/sinδ=1 kPa)

2.3 老化性能

瀝青的老化性能常用瀝青老化前后物理、流變性能或組成結(jié)構(gòu)的變化幅度來(lái)表征。變化幅度越大，表明瀝青的耐老化性能越差。復(fù)數(shù)模量老化指數(shù)[式(2)]常用來(lái)表征瀝青的老化性能。

(2)

草木灰和消石灰對(duì)瀝青短期老化性能的影響如圖5所示。由圖5可知：對(duì)于草木灰改性瀝青而言，草木灰摻量為5%～15%時(shí)，其耐老化性能均優(yōu)于基質(zhì)瀝青，且在摻量為10%時(shí)表現(xiàn)出最優(yōu)的老化性能改善效果。對(duì)于消石灰改性瀝青，10%和15%摻量的消石灰能提高基質(zhì)瀝青的抗老化性能，而5%的摻量對(duì)瀝青的耐短期老化表現(xiàn)出不利影響。消石灰改性瀝青耐老化性能隨消石灰摻量的變化原因還有待進(jìn)一步研究。

草木灰和消石灰對(duì)瀝青長(zhǎng)期老化性能的影響如圖6所示。

圖5 草木灰和消石灰對(duì)瀝青短期老化性能的影響

圖6 草木灰和消石灰對(duì)瀝青長(zhǎng)期老化性能的影響

由圖6可知：與短期老化相比，長(zhǎng)期老化后各瀝青樣品的復(fù)數(shù)模量老化指數(shù)均明顯增加，說(shuō)明各瀝青樣品的老化程度顯著增加。對(duì)草木灰和消石灰改性瀝青而言，其長(zhǎng)期老化后復(fù)數(shù)模量隨各自摻量的變化趨勢(shì)同短期老化結(jié)果一致。有研究表明：消石灰對(duì)瀝青抗老化性能的改善是因?yàn)橄铱膳c瀝青中的極性成分發(fā)生反應(yīng)，中和后的極性成分被強(qiáng)烈地吸附在消石灰顆粒表面，抑制了熱老化過(guò)程中輕質(zhì)組分的揮發(fā)，也阻礙了與氧的接觸，從而改善了瀝青的抗老化性能。在相同的摻量下，草木灰表現(xiàn)出比消石灰更優(yōu)的改善瀝青抗短期和長(zhǎng)期老化性能的效果，這可能是因?yàn)椴菽净也粌H能像消石灰一樣同瀝青中的某些組分反應(yīng)從而起到吸附組分穩(wěn)定膠體結(jié)構(gòu)的作用，還可能與草木灰中所含豐富的礦質(zhì)元素有關(guān)，這些礦質(zhì)元素可能與瀝青分子發(fā)生了化學(xué)鍵交聯(lián)，具體的原因還需進(jìn)一步深入研究。

2.4 水穩(wěn)定性

利用混合料在受到水損害前后劈裂破壞的強(qiáng)度比來(lái)評(píng)價(jià)草木灰和消石灰改性瀝青對(duì)混合料水穩(wěn)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 消石灰和草木灰對(duì)瀝青水穩(wěn)定性的影響

由圖7可知：在10%摻量下，草木灰和消石灰均能提高基質(zhì)瀝青的水穩(wěn)定性。與基質(zhì)瀝青相比，草木灰改性瀝青和消石灰改性瀝青的拉伸強(qiáng)度比TSR分別從75.3%提升到87.6%和91.4%，說(shuō)明草木灰和消石灰均能改善瀝青的水穩(wěn)定性，且消石灰的改善效果更明顯。

盡管兩種改性瀝青的黏度比基質(zhì)瀝青的黏度大，但是3種瀝青對(duì)應(yīng)的混合料的制備溫度是根據(jù)各瀝青黏溫曲線所確定的，即在混合料拌和和壓實(shí)溫度下，各瀝青的黏度均分別對(duì)應(yīng)為0.17和0.28 Pa·s。此外，各瀝青混合料采用的是相同的級(jí)配和油石比。因此，在混合料制備時(shí)，各瀝青裹覆在集料上的膜厚度大致相同。此外，結(jié)構(gòu)瀝青的厚薄同瀝青與礦料之間復(fù)雜的物理吸附和化學(xué)吸附有密切關(guān)系，與瀝青本身的黏度沒(méi)有明確的關(guān)系。因此，并不能根據(jù)瀝青黏度大就判定結(jié)構(gòu)瀝青的含量更大。

該文研究的兩種改性瀝青能提高混合料抗水損能力，說(shuō)明兩種改性瀝青與集料的黏附性好，在集料上所形成的結(jié)構(gòu)瀝青膜較厚，從而說(shuō)明了兩種改性瀝青與集料間發(fā)生了較好的吸附作用。草木灰和消石灰最大的特點(diǎn)是二者均為堿性無(wú)機(jī)粉末，而瀝青是偏酸性的物質(zhì)，二者間的中和反應(yīng)能減少瀝青中集料所排斥的組分，從而改善了瀝青與集料的親和性。

2.5 紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步研究草木灰和消石灰對(duì)瀝青的作用機(jī)理，分別對(duì)草木灰和消石灰及其改性瀝青進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，消石灰和草木灰的紅外光譜圖如圖8所示。

圖8 消石灰和草木灰的紅外光譜圖

消石灰和草木灰改性瀝青的紅外光譜圖如圖9所示。

圖9 消石灰和草木灰改性瀝青的紅外光譜圖

由圖9可知：與基質(zhì)瀝青相比，消石灰改性瀝青在3 642 cm-1處明顯增加了一處特征峰，該特征峰的位置與Ca(OH)2的特征峰位置一致，說(shuō)明該特征峰是由摻入到基質(zhì)瀝青中的消石灰產(chǎn)生。消石灰的其他兩處特征峰和草木灰中碳酸鉀的特征峰由于與基質(zhì)瀝青中本來(lái)所表現(xiàn)的特征峰位置重合，故無(wú)法僅通過(guò)定性方法評(píng)價(jià)改性劑對(duì)瀝青的影響。此外，對(duì)比消石灰、草木灰及其改性瀝青、基質(zhì)瀝青的紅外光譜圖，發(fā)現(xiàn)兩種改性瀝青并未產(chǎn)生除改性劑和基質(zhì)瀝青所含特征峰以外的新的特征峰。但這并不意味著兩種改性劑與基質(zhì)瀝青未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這可能是因?yàn)樯晌锏奶卣鞣灞桓男詣┗蚧|(zhì)瀝青已有的特征峰所掩蓋。

3 結(jié)論

(1) 消石灰和草木灰均可以改善瀝青的高溫穩(wěn)定性，且隨著各自摻量的增加，改善效果愈明顯。此外，草木灰和消石灰對(duì)瀝青的高溫性能具有相似的改善效果。

(2) 消石灰和草木灰均可以改善瀝青的抗短期和長(zhǎng)期老化性能。在相同摻量下，草木灰對(duì)瀝青抗老化性能的改善效果優(yōu)于消石灰。就改善瀝青抗老化性能而言，草木灰的最優(yōu)摻量為10%，消石灰的最優(yōu)摻量為15%。

(3) 草木灰和消石灰均能改善瀝青的水穩(wěn)定性，且消石灰的改善效果更明顯。

(4) 對(duì)比消石灰、草木灰及其改性瀝青、基質(zhì)瀝青的紅外光譜圖，發(fā)現(xiàn)兩種改性瀝青并未產(chǎn)生除改性劑和基質(zhì)瀝青所含特征峰以外的新的特征峰。但這并不意味著兩種改性劑與基質(zhì)瀝青未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這可能是因?yàn)樯晌锏奶卣鞣灞桓男詣┗蚧|(zhì)瀝青已有的特征峰所掩蓋。因此，在后續(xù)的紅外研究中，需要對(duì)關(guān)鍵特征峰進(jìn)行定量分析。