木质素改性剂对道路沥青结合料的影响.pdf
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1、0引言木质素是木质纤维素生物质的典型生物聚合物,在造纸和生物燃料工业领域大量产生1。木质素约占草本植物生物质重量的30%,在自然界中来源广泛。木质素主要由苯环中的碳氢化合物组成,其中木质素化学结构由大量的芳香环与烷基链连接而成2,它是一种高度支化和无定形的生物大分子,平均分子量在1 00020 000 g/mol。作为石油提炼的副产品,沥青已被广泛地应用于沥青路面铺筑,以黏合松散的骨料、提高路面的服役性能。沥青的性能在很大程度上决定了路面的性能,而不同种类的改性剂的应用对沥青性能的改善作用是不同的3。通常,沥青改性剂可以降低沥青结合料的温度敏感性,使其在高温条件下更硬,在低温条件下更软,从而提
2、高路面的高温和低温性能及其使用寿命4。虽然大量的研究已经证明利用木质素作为沥青改性剂的可行性,但是对杨木屑木质素(KL)和玉米秸秆木质素(CL)作为沥青改性剂的研究相对较少5;并且,杨木屑木质素(2 500万吨/年)和玉米秸秆木质素(2.5亿吨/年)都是丰富的废料来源,均来自造纸业和农业生产6。因此,本研究通过一系列实验测试,对木质素改性沥青结合料的力学性能进行全面研究。1试验材料及方法1.1原材料和样品的制备1.1.1原材料本研究使用70#沥青作为基质沥青,70#沥青由广东广州新粤交通科技有限公司提供。选用2种不同的木质素粉末(尺寸小于100目)作为研究对象,通过湿法制备改性基质沥青结合料,
3、木质素粉末粒径均低于 0.15 mm,其特性指标见表 1。杨木屑木质素(KL)粉末来自棕色牛皮纸,玉米秸秆木质素(CL)粉末从玉米秸秆残留物中提取7。木质素改性剂对道路沥青结合料的影响黄全富(广西路建工程集团有限公司,广西 南宁 530001)摘要:木质素约占草本植物生物质重量的30%,在沥青路面中加入木质素可以提高路面的力学性能。文章选择从杨木屑和玉米秸秆中提取的木质素制备木质素改性沥青结合料,通过室内试验,研究木质素改性沥青结合料的力学性能。试验结果表明:70#沥青、杨木屑木质素改性沥青和玉米秸秆木质素改性沥青在135 时的布式旋转黏度分别为384.5 cp、487.5 cp和443.8
4、cp;掺加了杨木屑木质素和玉米秸秆木质素的沥青混合料相较于70#沥青,马歇尔稳定度分别提高20.91%和5.67%;30 时,玉米秸秆木质素沥青混合料的劲度模量达到最大(194%)。研究结果可为纤维沥青混凝土优选纤维类型提供参考。关键词:木质素;改性剂;道路;沥青结合料中图分类号:U416.217文献标识码:A文章编号:1674-0688(2023)06-0059-05【作者简介】黄全富,男,广西宾阳人,工学学士,任职于广西路建工程集团有限公司,二公司成本合约管理部副部长,工程师,研究方向:理与桥梁工程管理。【引用本文】黄全富.木质素改性剂对道路沥青结合料的影响 J.企业科技与发展,2023(
5、6):59-63.本期专题黄全富.木质素改性剂对道路沥青结合料的影响59表1玉米秸秆木质素与杨木屑木质素特性指标指标含水量(%)干物质含量(%)灰分含量(%)KL5951.3CL4820.81.1.2样品制备本研究制备2种木质素改性沥青结合料,分别为杨木屑木质素改性沥青结合料(标记为KLA+70#沥青)和玉米秸秆木质素改性沥青结合料(标记为CLA+70#沥青)。分别将KL和CL改性剂(5%的沥青质量)与基质沥青结合料混合制备。采用高速剪切乳化机对基质沥青结合料和改性剂进行混合,所有混合料均在160 的温度下制备1 h,剪切速度设定为4 000 rpm8。对所有未老化的沥青胶结料样品(包括改性沥
6、青胶结料和基质沥青胶结料)进行不同程度的老化。根据不同的老化条件,老化程度可分为3种类型:未老化、短期老化和长期老化。本研究模拟沥青结合料在实际路面使用10年后的老化情况。为了在热沥青结合料混合之前去除水分,将经过预处理的辉绿岩石块和矿粉放在180 的烘箱中烘烤4 h以上,马歇尔制作压实温度设定为140 9。1.2试验方法1.2.1针入度和软化点测试通过针入度试验和软化点试验评估沥青结合料的性能。沥青结合料的稠度通过针入度试验进行评估。根据我国规范 公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E202011)中的要求,25 针入度试验为在25 下标准针(1000.1)g在5 s时间内穿透沥青试样
7、的深度。在软化点测试期间,将重量为3.5 g的钢球放置在结合料的表面,试验温度以恒定速率增加,钢球自由下落,当钢球触及底层金属挡板时的温度,视为其软化点。1.2.2马歇尔稳定度和流值沥青混合料的稳定度可以通过马歇尔试验进行评估。在试验中,测量2个参数,即马歇尔稳定度和流值。木质素改性沥青结合料试件在规定的加载条件下以恒定速度(50 mm/min)所能承受的最大荷载称为马歇尔稳定度10;流值被定义为木质素改性沥青结合料试件在抵抗失败时变形累积的总和。为评估时间对水损伤的抵抗力,将木质素改性沥青结合料试件置于恒温水浴中,试验温度设定为60C,实验时间设定为30 min。残余马歇尔稳定度(RS)定义
8、为木质素改性沥青结合料试件在热水中浸泡48 h后的马歇尔稳定度与基质沥青试样马歇尔稳定度之比。残余马歇尔稳定度值越高,表示试件的稳定性越好。1.2.3劲度模量测试开展劲度模量测试分析沥青结合料的刚度。采用劲度模量比(ITSMR)反映试样的老化敏感性。试验中设置对照组和长期老化组,在20 和30 的温度下各组采集劲度模量。将长期老化组放入恒温烘箱(85)老化 5 d,模仿路面使用 510 年的老化情况11。ITSMR为测试样品老化敏感性的指标,劲度模量等于长期老化前劲度模量与老化后劲度模量之比。1.2.4傅里叶变换红外光谱开展傅立叶变换红外测试(FTIR)分析测试样品的化学键。在FTIR测试中使
9、用Bruker Vertex 70(Billerica,MA,USA)仪器。由于每个化学官能团都有特殊的红外线吸收特性,所以使用 FTIR 技术测量光谱,将测量的光谱与已知的光谱进行比较,从而分析测试样品的化学键12。FTIR是业界常用的评估沥青材料内部化学键和官能团的仪器13,在 FTIR 测试中,使用FTIR光谱仪和厚度约1 mm的颗粒扫描测试样品,并获得所需的红外光谱范围。2结果和讨论2.1软化点和针入度图1为针入度试验和软化点试验结果。从图1可以观察到,木质素的掺入可以使木质素改性沥青结合料试件产生较低的针入度,并且针入度越低,说明其刚度越高。从图1可以看出,无论是什么类型的木质素,木
10、质素改性剂都会降低沥青结合料的针入度,其中KLA+70#沥青和CLA+70#沥青的针入度分别从64 降至 58(1/10 mm)和 57(1/10 mm),并且 5 wt%的木质素掺量使沥青针入度的下降幅度达到最大。同时可观察到,掺入木质素可以使沥青软化点提高14。KLA+70#沥青和 CLA+70#沥青的软化点值分别比70#沥青高2.1 和1.4。相比之下,木质素改性沥企业科技与发展,2023年,第6期,总第500期60青拥有较低的针入度和较高的软化点,在高温度下表现出优越的性能。KLA+70#沥青的表现与 CLA+70#沥青相似,而KLA+70#沥青的高温性能比CLA+70#沥青略有提高。
11、2.2黏度值变化图2为含有5 wt%木质素的改性黏结剂在135 和160 温度下的运动黏度,运动黏度值可以评估沥青结合料的施工性能。为确保足够的流动性,具有一定的道路沥青黏度更有利于现场施工。从图2可以观察到,沥青结合料的黏度随着温度的降低而增强。70#沥青、KLA+70#沥青和CLA+70#沥青在135 时的黏度分别为384.5 cp、487.5 cp和443.8 cp,所有的运动黏度值均符合规范要求(即大于3 000 cp),保证沥青结合料都有足够的流动性,可以进一步提高其拌合速度15。160 时,70#沥青、KLA+70#沥青和CLA+70#沥青的黏度分别为134 cp、302.5 cp
12、和230.5cp,并且发现在所有温度条件下,基质沥青的黏度均比70#沥青高,KLA+70#沥青的黏度值达到最高。试验温度为160 时,KLA+70#沥青的黏度是70#沥青的 2.2 倍,而 CLA+70#沥 青 的 黏 度 是 70#沥 青 的1.7倍。2.3马歇尔稳定度和流值作为经验指标,马歇尔稳定度和流值常用于量化沥青结合料的高温性能。马歇尔稳定度一般在沥青结合料配合比设计中涉及较多,通常用于初选沥青结合料级配,流值可以评估沥青混合料对塑性变形的抵抗力。马歇尔试验结果如图3所示,由图3可知,在不同的水浴时间下,与70#基质沥青结合料相比,含有基质沥青(70#沥青)的沥青结合料具有更高的马歇
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