硅藻土改性生物沥青的黏附性研究

关键词：道路工程；生物沥青；硅藻土；黏附性；表面自由能；改进水煮法

中图分类号：U414 文献标志码：A 文章编号：1000-582X（2025）01-098-09

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义[1] 。生物质油与石油沥青共混得到的生物沥青，相较于传统石油沥青具有可再生、价格低廉、分布广泛等优点[2]。但众多学者研究发现，生物沥青与集料的黏附性较差，限制了生物沥青的进一步应用[3⁃7]。若能克服这一性能缺陷，就能使生物沥青的实际工程应用得到进一步推广。

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。马明洋[8]在生物沥青中加入了SBS，生物沥青混合料的水稳定性得到显著提升。曹羽[9]在研究蓖麻油（SHB）与玉米油（DC）为来源的生物沥青时，对其运用SBS、胶粉进行复合改性，DC、SHB及复合改性生物沥青在水煮试验中均表现良好。季坤等[10]将生物沥青与TLA 湖沥青进行混合改性，改性沥青混合料展现出极佳的水稳定性。冯学茂等[11]在生物沥青中添加了有机化蒙脱土，发现其黏度达到基质沥青的2倍以上，但低温性能会受到影响。综上所述，目前改善生物沥青黏附性的手段存在成本偏高，可能影响生物沥青低温性能的缺点，而硅藻土作为一种无机材料，具有价格低廉、多孔、比表面积大等优点[12⁃13]，研究表明硅藻土能够提升增强沥青混合料的高温、低温和水稳定性[14⁃16]，但硅藻土在生物沥青中尚未得到应用。文中拟采用硅藻土作为改性剂，探究不同掺量下硅藻土对生物沥青与集料黏附性的影响。

1实验部分

1.1主要原料

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，如表1所示。

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。

1.2试样制备

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 ℃、3000r/min 的条件下，剪切30min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20min 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。

1.3试验方法

1.3.1常规性能试验

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。

1.3.2布氏旋转黏度试验

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。

1.3.3改进水煮法试验

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大[17] 。研究基于传统水煮法试验进行改进，以连续性试验（3、6、9、12、15 min）方法测定硅藻土改性生物沥青与集料在水煮试验中的沥青质量变化情况，并以基质沥青、生物沥青作为对照组。试验采用的集料为石灰岩，每次试验5 组，结果取平均值。在石料裹覆沥青后，需放凉冷却至室温并去除多余沥青，同时在水煮过程中用纸片或玻璃棒对剥落沥青进行处理，防止剥落的悬浮沥青对石料重新裹覆，影响试验结果。

按照公式（1）计算得到沥青的质量损失率F（%），参考沥青黏附性分级表评价硅藻土改性生物沥青与集料的黏附性能。沥青黏附分级表，如表2所示。

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。

1.3.4接触角试验

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和图2所示，3种测试液体的表面能，如表3 所示。

2结果与讨论

2.1三大指标分析

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，如表4所示。

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。表1和表4表明，在11%的硅藻土掺量下，改性生物沥青针入度已小于基质沥青。

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。结合表1 和表4 可以看出，生物质油的掺加使沥青的延度有所下降，硅藻土的加入使延度下降幅度进一步加大，在掺量超过15% 后，延度略微提升。主要原因是硅藻土的改性过程仅在沥青中进行分散，与聚合物改性剂在沥青中发生交联作用不同，硅藻土在沥青中以微粒的形式存在，延度试验中沥青被拉伸，硅藻土微粒会使沥青产生应力集中，从而导致沥青过早发生断裂[19]。

2.2布氏旋转黏度结果分析

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大[20]。不同掺量硅藻土对生物沥青黏度的影响情况，如图3 所示。由图3 可知，加入生物质油后，生物沥青的黏度相较于基质沥青有了较大程度的降低，原因是生物油的加入使沥青整体轻质组分占比例提升所致。通过黏度变化可以发现，生物沥青的黏度随着硅藻土掺量的增加而增大，在135 ℃、145 ℃下，11%掺量时的硅藻土改性生物沥青的黏度已与基质沥青相近。从黏度增长趋势来看，硅藻土掺量超过17%后，黏度几乎不再增大，所以硅藻土掺量不宜超过17%。

2.3改进水煮法试验结果分析

各组生物沥青水煮试验结果，如表5所示。

由表5 可知，水煮时间为3min时，各组沥青的剥落质量差别不大，黏附等级均为9级及以上。但随着水煮时间的不断加长，质量损失逐渐增多，黏附等级开始降低，BIO与其他各组沥青的差距逐渐被拉大。当水煮时间到达15min时，BIO+17% 的质量损失率相较于BIO降低了36.44%，这表明硅藻土能够显著提升生物沥青与集料的黏附性。各组沥青与集料黏附等级大小排序为17%＞15%≈19%＞13%≈11%≈70#鑫海＞BIO，可以发现当硅藻土的掺量为17%时，生物沥青的质量损失率达到最小；但掺量的继续增大并没有使质量损失率降低，说明硅藻土能够提升生物沥青与集料的黏附性能并存在最佳掺量。

2.4表面能结果分析

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W_cohesion、生物沥青与集料的黏附功W_as与剥落功W_asw，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 如公式（2）所示，ER 的值越大表示生物沥青-集料体系的抗水损害能力越强。

2.4.1表面能及其分量

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所示。

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。由图4可以看出，在加入了生物质油后，生物沥青相较于基质沥青有一定程度的降低，而硅藻土的加入使生物沥青表面能得到提升，掺加了17%硅藻土后的表面能相较于基质沥青与生物沥青分别提高了67.7%与137.1%。因此，硅藻土的加入使生物沥青具有更好的抗水损害能力。

2.4.2黏聚功、黏附功与剥落功

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可知，在17%掺量时硅藻土改性沥青表现出更强的自聚力，有着较好的抗开裂能力，推测原因是硅藻土具有较大的比表面积，微孔结构也有利于沥青的吸附和湿润，能够提高硅藻土与沥青之间的黏结力。

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 可知，基质沥青与石灰岩的黏附功为121.1 mJ/m²，而在加入了生物质油后黏附功下降了约12.2%，表明生物质油对沥青-集料体系的稳定性有削弱作用。硅藻土的加入，使生物沥青的黏附功迅速得到提升，在17%掺量时，黏附功达到138.8mJ/m²，相较于基质沥青与生物沥青分别提升了约14.6%与28.6%，硅藻土改性生物沥青与集料表现出较好的黏附性能。原因是硅藻土的微孔结构相当于微毛细管，会产生毛细作用，从而增加了沥青的界面作用力，增强了黏附性能[21]。

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中可以看出，生物沥青的剥落功随着硅藻土掺量的增加先下降后提高，17%掺量时的剥落功相较于基质沥青与生物沥青下降了约17.1% 和27.4%，说明硅藻土降低了生物沥青的水分敏感性。

2.4.3ER值

以能量参数ER作为体系的综合评价指标，通过公式（2）计算得到的ER 值，如图8所示。可以发现，生物沥青的能量参数ER 相较于基质沥青降低了15.7%，在硅藻土掺量达到13%时的ER反超基质沥青。随着硅藻土掺量的逐渐增加，ER值在17%掺量时达到最大，而后略微下降，这与黏聚功、黏附功趋势相同。所以，硅藻土掺加量为17%时，能最大程度提升生物沥青-集料-水体系的稳定性，提高生物沥青混合料抵御水损害的能力，延长路面服务寿命。

3结论

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。