付鑫， 孫微微， 夏冰華， 劉遠(yuǎn)才

(西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 昆明 650224)

截至2020年底，中國公路通車總里程約517×104km，位居世界第二位。高速公路總里程約15×104km，位居世界第一位，道路工程的快速建設(shè)有利的支撐了中國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。根據(jù)相關(guān)文件指示，預(yù)期在今后的數(shù)年內(nèi)中國交通建設(shè)規(guī)模將持續(xù)不斷擴(kuò)大，將會(huì)建數(shù)萬公里的高速公路和百萬公里的普通公路，更有數(shù)百萬公里的既有公路需要升級(jí)改造，其中絕大部分高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)為普通瀝青路面。按照中國現(xiàn)行的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，高等級(jí)公路瀝青路面的設(shè)計(jì)壽命為15年，但從實(shí)際服役期限的調(diào)查結(jié)果來看，大多數(shù)的高速公路在使用約10年就需進(jìn)行大中修，實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命。瀝青路面使用壽命偏短導(dǎo)致公路基礎(chǔ)設(shè)施頻繁維修，消耗了大量的不可再生資源，產(chǎn)生了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞，誘發(fā)了交通擁堵，顯著降低了道路的通行能力和路網(wǎng)運(yùn)輸效能，也大幅增加了運(yùn)營期的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。因此，開展耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料的研究具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

學(xué)者們對(duì)于生物質(zhì)材料在道路工程建設(shè)的應(yīng)用開展了各項(xiàng)試驗(yàn)研究[1-5]，但基于工業(yè)造紙廢料木質(zhì)素對(duì)改性瀝青復(fù)合材料性能改善領(lǐng)域的科學(xué)研究及工程應(yīng)用并不常見，往往依據(jù)流變參數(shù)對(duì)瀝青膠漿體系進(jìn)行宏觀層面的評(píng)價(jià)，缺乏對(duì)復(fù)合材料微觀界面行為的探究。周昆等[6]、單超[7]基于分子動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于改性瀝青復(fù)合材料的界面力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)實(shí)際瀝青老化程度與界面黏結(jié)力大小存在一定的宏觀規(guī)律。對(duì)于木質(zhì)素與基質(zhì)瀝青界面黏結(jié)機(jī)理，劉麗[8]、邵顯智等[9]采用掃描電鏡觀察集料與瀝青顯微結(jié)構(gòu)界面，利用界面黏結(jié)理論進(jìn)行瀝青分層剝離特點(diǎn)研究，發(fā)現(xiàn)了集料的表層微觀結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青膠漿界面有一定的影響。但顯微表征僅局限的說明試樣的表觀實(shí)際樣貌，不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)的意義，這對(duì)于真實(shí)界面狀況的了解存在偏差。為此，參考高分子復(fù)合材料的黏結(jié)理論，對(duì)木質(zhì)素改性瀝青膠漿體系的動(dòng)態(tài)模量變化對(duì)界面黏結(jié)性和相容性進(jìn)行了力學(xué)測試，旨在對(duì)改性瀝青膠漿界面的黏結(jié)特征進(jìn)行定量分析，對(duì)道路工程理論應(yīng)用給予一定的借鑒價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用生物質(zhì)改性劑源于南京某公司工業(yè)造紙廢料，屬于堿木質(zhì)素?；|(zhì)瀝青為韓國sk-70#，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中相關(guān)規(guī)定，對(duì)瀝青的各項(xiàng)性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)Table 1 Performance index of base asphalt

1.2 試驗(yàn)方法

采用美國TA公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)光熱耦合條件下(溫度70 ℃、紫外光波長365 nm、輻射強(qiáng)度25 W/m2及30～120 h 4組老化時(shí)間)不同摻量的(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%及15%)木質(zhì)素瀝青進(jìn)行30～80 ℃溫度范圍振蕩掃描，得到儲(chǔ)能模量G′及損耗角正切值tanδ。利用德國Leica徠卡DM2000正置光學(xué)顯微鏡對(duì)基質(zhì)瀝青和木質(zhì)素改性瀝青進(jìn)行顯微局部觀察，分析各摻量的改性瀝青的相容性程度。

基于Ashida等[10]提出的黏結(jié)材料力學(xué)內(nèi)部能量損耗峰值(tanδmax)c與純基體力學(xué)內(nèi)部能量損耗峰值(tanδmax)m和界面黏結(jié)力存在函數(shù)關(guān)系，可表示為

(tanδmax)c=(tanδmax)m-αVf

(1)

式(1)中：Vf為填料的體積分?jǐn)?shù)；α為界面黏結(jié)參數(shù)，且α與界面黏結(jié)力存在正比例關(guān)系，其值越大，黏結(jié)力越強(qiáng)。

基于Luis等[11]研究的混合填充材料的阻尼特性，提出表征界面行為的黏結(jié)力程度的表達(dá)式為

(2)

式(2) 中：tanδc為混合填充材料的損耗角正切值；tanδm為純基體材料的損耗角正切值；φ為填料的體積分?jǐn)?shù)；β為基體界面作用參數(shù)，其值越大，界面黏結(jié)力越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 瀝青膠漿體系流變參數(shù)

若不考慮木質(zhì)素與基質(zhì)瀝青在界面發(fā)生能量的交換，木質(zhì)素可視為剛性顆粒在基質(zhì)瀝青中扮演填料的角色，對(duì)膠漿體系的儲(chǔ)能模量G′及損耗角正切值tanδ有圖1所示的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能效果。

圖1 木質(zhì)素改性瀝青膠漿體系動(dòng)態(tài)力學(xué)性能變化Fig.1 Dynamic mechanical properties change of lignin modified asphalt mortar system

由圖1可知，木質(zhì)素改性瀝青的儲(chǔ)能模量G′隨填料的增加而升高，而損耗角正切值tanδ(損耗因子)的峰卻明顯降低，可見瀝青膠漿體系的耐熱性能明顯高于基質(zhì)瀝青[12]。耐熱性能的改變實(shí)質(zhì)上是木質(zhì)素內(nèi)部3種苯丙烷單元通過醚鍵和碳碳雙鍵相互連接，形成的具有三維網(wǎng)狀復(fù)雜的天然生物高分子結(jié)構(gòu)，在高溫時(shí)難以被破壞，降低了改性瀝青的溫度敏感性，賦予了良好的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，基質(zhì)瀝青和木質(zhì)素改性瀝青損耗因子處于峰值，依次為5.587 4、5.068 4、4.633 9及4.823 5，隨木質(zhì)素的摻量變化而出現(xiàn)不同程度的降幅。損耗峰逐漸由寬變窄，意味著木質(zhì)素改性瀝青膠漿體系存在黏結(jié)界面且粘附性隨填料的摻量而有所區(qū)別。因此，研究木質(zhì)素改性瀝青界面黏結(jié)性與tanδ的變化關(guān)系，可以從側(cè)面反映材料整體的高溫穩(wěn)定性，對(duì)探究改性瀝青的流變性能有一定的參考價(jià)值。

2.2 瀝青膠漿體系界面黏結(jié)性

根據(jù)式(1)、式(2)對(duì)瀝青混合料界面行為進(jìn)行黏附理論評(píng)價(jià)，擬對(duì)木質(zhì)素改性瀝青基于光熱耦合條件下進(jìn)行流變試驗(yàn)溫度掃描，得到了基質(zhì)瀝青(純基體)和木質(zhì)素改性瀝青(黏結(jié)混合料)的相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)一方面是為了觀察瀝青膠漿體系高溫流變行為；另一方面，更為主要的是結(jié)合損耗因子tanδ隨溫度的變化值對(duì)瀝青膠漿體系界面行為的黏結(jié)性能進(jìn)行定量分析。研究認(rèn)為，瀝青混合料內(nèi)部界面黏結(jié)性能的強(qiáng)弱是抵抗環(huán)境水損病害的關(guān)鍵因素，單純的瀝青材料對(duì)于水分的侵蝕作用相對(duì)困難，但高強(qiáng)度往復(fù)的車輛荷載容易導(dǎo)致混合材料內(nèi)部發(fā)生分層破壞。故界面黏結(jié)穩(wěn)定才能更好地吸附集料顆粒，以此增加瀝青混合料在服役期限過程中的耐久性。

流變試驗(yàn)以10 rad/s的頻率對(duì)基質(zhì)瀝青及木質(zhì)素改性瀝青進(jìn)行高溫振蕩掃描，由圖1(b)可知，tanδ在60 ℃時(shí)出現(xiàn)了損耗峰值，且整體峰值變化逐漸由寬變窄說明木質(zhì)素改性瀝青中確實(shí)存在界面行為，且不同粉膠比的改性瀝青界面黏結(jié)性在不同溫度下也會(huì)有所差異，試驗(yàn)基于損耗因子峰值與46、52、58、64、70、76 ℃不同溫度下的數(shù)值，根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算可知Ashida.M-α值與Ziegel.K-β值，故得到瀝青膠漿體系界面行為的黏附性隨膠漿比及溫度的變化關(guān)系如表2、表3及圖2、圖3所示。

表2 木質(zhì)素改性瀝青Ashida.M-α隨時(shí)間變化Table 2 Changes of lignin modified asphalt Ashida.M-α over time

表3 木質(zhì)素改性瀝青Ziegel.K-β隨時(shí)間變化Table 3 Changes of lignin modified asphalt Ziegel.K-β over time

圖2 不同瀝青粉膠比的Ashida.M-α隨溫度 變化關(guān)系圖Fig.2 Ashida.M-α changes with temperature for different asphalt mortar ratios

由表2、圖2可知，各改性瀝青的Ashida.M-α值隨粉膠比的增加呈先上升后下降的趨勢，說明15%的高粉膠比雖表現(xiàn)出較好的抗老化性能，但卻帶來更弱的界面黏結(jié)性能。10%的粉膠比在耦合老化的30、60、90、120 h內(nèi)均體現(xiàn)良好的黏結(jié)性，在抵抗溫度敏感性的同時(shí)也具備一定的高溫穩(wěn)定性。若不考慮損耗峰值帶來的黏結(jié)特性，可根據(jù)46～76 ℃溫度范圍內(nèi)以間隔6 ℃的損耗因子為基準(zhǔn)，評(píng)價(jià)Ashida.M-α值隨溫度的變化關(guān)系。由圖2總體的變化趨勢效果來看，在耦合老化時(shí)間段內(nèi)，不同摻量的木質(zhì)素改性瀝青的Ashida.M-α值隨溫度的升高出現(xiàn)了先下降后上升的關(guān)系，這與粉膠比的變化趨勢相反。在相鄰的溫度躍遷范圍內(nèi)，3種木質(zhì)素改性瀝青的Ashida.M-α值大小依次為α5%>α10%>α15%(α5%表示摻量為5%木質(zhì)素改性瀝青的Ashida.M-α值，α10%表示摻量為10%木質(zhì)素改性瀝青的Ashida.M-α值，α15%表示摻量為15%木質(zhì)素改性瀝青的Ashida.M-α值)，表明高膠漿比的改性瀝青較低粉膠比的改性瀝青而言，在高溫及紫外輻射環(huán)境下更容易出現(xiàn)界面相的分離與破壞，若考慮實(shí)際荷載的疊加效應(yīng)，則更容易在潮濕環(huán)境中導(dǎo)致瀝青混合料內(nèi)部的細(xì)微裂縫的產(chǎn)生。

圖3 不同瀝青粉膠比的Ziegel.K-β隨溫度 變化關(guān)系圖Fig.3 Ziegel.K-β changes with temperature for different asphalt mortar ratios

由表3、圖3可知，木質(zhì)素改性瀝青的基體界面作用參數(shù)Ziegel.K-β值隨粉膠比的增加變化趨勢與界面黏結(jié)參數(shù)Ashida.M-α值總體一致。Ashida.M-α值在耦合老化30 h內(nèi)，大小順序?yàn)棣?0%>α15%>α5%，但在60 h、90 h及120 h內(nèi)，始終α10%>α5%>α15%。而Ziegel.K-β值大小排序在同一耦合老化時(shí)間段內(nèi)為β10%>β15%>β5%(β5%表示摻量為5%木質(zhì)素改性瀝青的Ziegel.K-β值，β10%表示摻量為10%木質(zhì)素改性瀝青的Ziegel.K-β值，β15%表示摻量為15%木質(zhì)素改性瀝青的Ziegel.K-β值)。二者的區(qū)別說明在光熱耦合老化前期，改性瀝青的界面黏結(jié)性受溫度的波動(dòng)影響較大。各改性瀝青在相同的粉膠比下，隨老化時(shí)間的延長黏結(jié)性能逐漸上升，可能的原因是隨著木質(zhì)素內(nèi)部自由水的揮發(fā)，其干燥潔凈的表面與瀝青憎水性的表面更加具有相互吸引力，老化導(dǎo)致瀝青內(nèi)部產(chǎn)生大量的極性基團(tuán)，易與木質(zhì)素顆粒產(chǎn)生范德華力的物理吸附的過程。Ziegel.K-β值隨溫度變化關(guān)系和Ashida.M-α值大體相同，但在中高溫區(qū)域內(nèi)，曲線之間出現(xiàn)了相互交叉的現(xiàn)象，說明瀝青材料的粘附性受溫度的效應(yīng)較大，處于中高溫狀態(tài)下，不同摻量的木質(zhì)素改性瀝青也可能出現(xiàn)相同的界面行為。因此，選擇適當(dāng)?shù)姆勰z比可以帶來可觀的粘附能力，對(duì)提高瀝青混合料整體的固結(jié)效果具有良好的借鑒價(jià)值。

2.3 瀝青膠漿體系界面相容性

采用流變儀對(duì)木質(zhì)素改性瀝青的膠漿體系進(jìn)行頻率掃描測試，試驗(yàn)頻率設(shè)置范圍為0.1～100 rad/s，對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行科爾作圖(Cole-cole圖)后分析瀝青膠漿體系的相容程度。

木質(zhì)素改性瀝青的Cole-cole圖是依據(jù)流變試驗(yàn)頻率掃描過程中，以復(fù)數(shù)剪切黏度η值的實(shí)數(shù)部分η′(η′=G″/ω)為橫坐標(biāo)，虛數(shù)部分η″(η″=G′/ω)為縱坐標(biāo)作圖，其中，G″為損耗模量，ω為角速度，G′為儲(chǔ)能模量。一般而言，對(duì)于分子量呈單峰變化的高分子復(fù)合體系，其Cole-cole圖曲線為半圓弧，說明混合物之間有良好的相容性。對(duì)于不相容或相容性較差的混合體系，其圖像會(huì)出現(xiàn)半圓弧的拐點(diǎn)，表明存在物相分離的現(xiàn)象。設(shè)置60 ℃的試驗(yàn)溫度對(duì)木質(zhì)素改性瀝青Cole-cole圖如圖4所示。

圖4 不同摻量的木質(zhì)素改性瀝青Cole-cole圖Fig.4 Cole-cole diagram of lignin modified asphalt with different content

3種摻量的木質(zhì)素改性瀝青Cole-cole圖(圖4)中并未出現(xiàn)拐點(diǎn)現(xiàn)象，說明瀝青膠漿在經(jīng)過高溫剪切后，堿性較強(qiáng)的集料與基質(zhì)瀝青充分混合均勻且相容性較好。圖5為不同粉膠比的木質(zhì)素改性瀝青光學(xué)顯微鏡圖像。

由圖5可知，基質(zhì)瀝青存在少數(shù)雜質(zhì)，可能是在生產(chǎn)、運(yùn)輸及攪拌過程中落入了灰分。粉膠比為5%和10%的改性瀝青中，隨木質(zhì)素?fù)搅康脑黾?，可以明顯觀察木質(zhì)素顆粒分布均勻緊密，形成良好的混合體系。而15%粉膠比的改性瀝青中，木質(zhì)素顆粒占據(jù)比例很多，形成一定三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)Cole-cole圖可知，并未出現(xiàn)半圓弧的拐點(diǎn)，可以預(yù)測15%左右的粉膠比是最佳的堿木質(zhì)素?fù)搅浚^該比例可能會(huì)導(dǎo)致改性瀝青的集料相容性較差，過多的木質(zhì)素顆粒會(huì)分散到基質(zhì)瀝青中，形成結(jié)構(gòu)化的空間分布狀態(tài)，從而提高瀝青膠漿體系的彈性能力。因此，木質(zhì)素改性瀝青的粉膠比介于10%～15%可以顯著提高膠漿體系的粘彈性和抗變形能力，超出的部分雖可改善瀝青的彈性性能，但過于飽和會(huì)導(dǎo)致集料與瀝青之間的相容性變差，共混后會(huì)加大混合料的熱加工鋪設(shè)過程的難度系數(shù)。改性瀝青的黏度隨粉膠比的增加也會(huì)變大，且黏度的提高并不意味著黏性的增加，相容性變差也會(huì)降低集料與瀝青界面的黏附力，故選擇最佳的粉膠比既可優(yōu)化改性瀝青中木質(zhì)素形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)化空間，改善瀝青膠漿體系的高溫穩(wěn)定性和粘彈特性，也可確保木質(zhì)素改性瀝青在工程領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的價(jià)值。

圖5 不同摻量的木質(zhì)素改性瀝青的顯微照片對(duì)比Fig.5 Comparison of photomicrographs of different content of lignin modified asphal

3 結(jié)論

(1)木質(zhì)素改性瀝青膠漿體系的界面行為在一定程度上反映瀝青整體材料的固結(jié)能力，基于Ashida.M-α與Ziegel.K-β值隨粉膠比及溫度的變化關(guān)系可知，二者均隨木質(zhì)素?fù)搅康脑黾映霈F(xiàn)了先上升后下降的趨勢，意味著高粉膠比的改性瀝青雖體現(xiàn)出良好的抗老化性能，但卻帶來較弱的界面黏結(jié)性能。高粉膠比的改性瀝青容易在光熱耦合條件下出現(xiàn)界面相的分離與破壞。

(2)木質(zhì)素改性瀝青膠漿體系在中高溫范圍內(nèi)，瀝青混合料的黏結(jié)力受溫度變化影響較大。由Cole-cole圖可知各瀝青膠漿體系的相容性良好，高溫時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的黏彈性及抗變形能力。