玉米木质素废料改性沥青流变性能试验研究.pdf
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1、合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期59玉米木质素废料改性沥青流变性能试验研究冯松锴(郑州路桥建设投资集团有限公司,河南郑州 450000)摘要:为了研究玉米木质素工业废料在沥青改性中应用的可行性,本文首先采用针入度、软化点、测力延度等试验,考察了玉米木质素改性沥青的基本性能,然后利用高温动态剪切流变仪(DSR)温度扫描试验、低温弯曲梁流变仪(BBR)试验、多重应力蠕变恢复(MSCR)试验,针对玉米木质素改性沥青的流变性能进行综合分析。结果表明:木质素掺入后降低了沥青针入度、增大了软化点与测力延度峰值;流变试验表明,木质素可提升沥青老化前抗车辙性能、蠕变条件下应力恢复性能,但木
2、质素对沥青老化后抗车辙性能以及低温抗裂性能具有一定不利影响。关键词:道路工程;玉米木质素;改性沥青;流变性能中图分类号:U 414Experimental Study on Rheological Properties of Corn Lignin Waste Modifi ed Asphalt FENG Song-kai(Zhengzhou Road and Bridge Construction Investment Group Co.,LTD.,Zhengzhou 450000,Henan,China)Abstract:In order to study the feasibility
3、of the application of corn lignin industrial waste in asphalt modifi cation,this paper fi rstly used the penetration,softening point,dynamometric ductility and other tests,the basic properties of corn lignin-modifi ed asphalt were investigated,and then using high temperature dynamic shear rheometer(
4、DSR)temperature sweep test,low temperature bending beam rheometer(BBR)test,multiple stress creep recovery(MSCR)test,a comprehensive analysis of the rheological properties of corn lignin modifi ed asphalt was carried.The results show that the incorporation of lignin reduces the penetration of the asp
5、halt,increases the softening point and the peak value of ductility.the rheological test shows that lignin can improve the anti-rutting performance of asphalt before aging and the stress recovery performance under creep conditions.however,lignin has a certain adverse eff ect on the anti-rutting perfo
6、rmance and low-temperature crack resistance of asphalt after aging.Key words:road engineering;corn lignin;modifi ed asphalt;rheological properties研究表明,到 2050 年,全球能源需求预计将增加一倍。因此,可再生材料的开发利用研究,对满足日益增长的能源需求、降低对环境影响一直是目前各学科研究热点1-2。沥青是从石油中提取的一种化石材料,是目前应用最为广泛的有机筑路胶凝材料。但作为一种不可再生能源,更低价、更可持续的环保胶凝替代材料一直受到重点关注。
7、木质素作为在造纸或乙醇工业生产过程中产生的一种木质废料,由于缺乏有效利用方式,通常被作为燃料使用3。需指出的是,区别于 SMA 中使用的木质素纤维,本文所指木质素为含有木质素成分的植物纤维废料。近年来有研究显示,木质素中的化合物和碳氢化合物与沥青相似,存在作为沥青改性材料的可行性4。目前也有相关科技工作者对木质素在沥青中的应用进行了研究,如:何边阳5评价了三种木质素插层/接枝 LDHs 改性沥青的组分与化学结构,并对其紫外老化前后的流变特性进行了系统研究;陈洪飞等6基于分子模拟分析了不同掺量木质素改性沥青的微观作用机理;付鑫等7通过采用动态剪切流变试验,研究了光热耦合环境下木质素改性沥青的微观
8、界面黏结性;另外还有研究者采用木质素对乳化沥青进行了改性研究尝试8。总体而言,虽然目前对于木质素工业废料在沥青改性中的研究已取得一定成果,但由于木质素来源复杂及制备工艺差异,以及对应改性沥青性能研究的不完备,导致木质素改性沥青距实体工程应用仍有一定差距。为此,本文拟以玉米木质素废料改性沥青为研究对象,通过基本性能分析,并重点对木质素改性沥青流变特性进行系统研究,以期为玉米木质素废料改性沥青的应用提供理论与试验基础。1 原材料及沥青制备本研究采用沥青为东海牌 70#基质沥青,主要技术指标见表 1。木质素来源于利用玉米芯生产生物乙醇过程中直接获得的一种废副产品,该副产品通过河南某生物科技有限公司获
9、取,其基本制备工艺为:(1)首先对玉米芯进行水热处理,分解半纤维素,得到低聚木糖;(2)将残渣收集起来,用碱性溶液处理,释放木质素,产生富含纤维素的残渣;(3)以富含纤维素的固体残渣为原料生产生物乙醇,经碱性处理后的废水(酸性条件下)调整 pH 值以沉淀木质素。制备的木质素含水率为 3.6%,粒径等技术参数分析作者简介:冯松锴,本科,高级工程师,主要从事道路与桥梁工程方面工作。60冯松锴 玉米木质素废料改性沥青流变性能试验研究结果见表 2。表 1 70#基质沥青主要技术指标Table 1 Main technical indicators of 70#base asphalt测试指标结果技术要
10、求针入度(25)/0.1mm656080延度(15)/cm8640软化点/56.546密度/(gcm-3)1.018实测表 2 木质素技术参数Table 2 Technical parameters of lignin木质素参数测试值最大粒径/m185平均长径比0.786平均伸长率0.215在 160 的温度下,使用高剪切机以 6000r/min 的转速将沥青与不同掺量的木质素均匀混合,剪切时间为30min。试样冷却后备用,进行后续试验。参照相关已有研究成果9,本研究选取木质素掺量分别为 5%、10%。2 试验方法2.1 基本性能试验参照公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20-201
11、1),分别进行针入度、环球法软化点、(测力)延度等试验10-11。2.2 高温温度扫描试验为评价沥青试样高温性能,采用动态剪切流变仪(DSR)进行沥青试样温度扫描(TSC)试验。通过DSR 测试,获取对应温度下沥青试样复剪切模量(G*)、相 位 角()以 及 车 辙 因 子(G*/)。试 验 时 采 用RTFOT 和 PAV 两种老化方法,分别模拟短期和长期老化。2.3 低温 BBR 试验为了获取木质素改性沥青的低温抗裂性能,采用弯曲梁流变仪(BBR)试验得到低温下的沥青的蠕变劲度(S)和蠕变速率(m 值)两个参数。其中,S 值可表示沥青抵抗恒定荷载的能力,m 值表示施加荷载作用下沥青刚度的变
12、化。一般而言,当沥青具有较小的蠕变劲度 S、较大的蠕变速率 m 值时,表明沥青具有良好的低温性能。BBR 试验中,沥青试样需先进行短期老化(旋转薄膜烘箱法),后进行长期老化(PAV 法)。试验温度选取-22、-28,试验时对沥青梁式试件施加蠕变荷载。每个试件进行 3 次平行试验,取测试均值作为最终测试结果。2.4 多重应力蠕变恢复试验多重应力蠕变恢复(MSCR)试验采用 DSR 进行测试,试验采用 RTFOT 和 PAV 两种老化方法。试验采用0.1kPa 和 3.2kPa 两种应力水平,分别模拟轻、重交通两种荷载工况。试验时每个周期荷载为 10s,其中第 1s施加蠕变荷载,然后移除载荷,让试
13、样在零压力下恢复9s,每个试样循环 10 次。通过试验可得到蠕变恢复百分率(R)和不可恢复蠕变柔量(Jnr)两个参数,对应计算公式为:p0pnR?(1)0n?J?(2)式(1)、(2)中,p为 1s 蠕变后的峰值应变;n为 9s 恢复后的不可恢复应变;0为循环开始时的剪切应变;为蠕变加载应力。Jnr用于评价改性沥青的高温抗变形能力,其数值越小,即改性沥青的残余变形越小,说明改性沥青在高温条件下抗变形能力越好。蠕变恢复百分率 R 可以有效地反映改性沥青在高温条件下的弹性恢复性能,R 值越大,改性沥青的弹性变形越大,弹性恢复性能也就越好12。3 结果与讨论3.1 基本性能通过针入度和软化点试验,测
14、定了老化前后木质素对沥青物理性能的影响,试验结果见表 3。表 3 木质素改性沥青基本指标变化Table 3 Changes of basic indexes of lignin-modified asphalt试样针入度/0.1mm软化点/老化前老化后老化前老化后基质沥青654556.562.25%木质素改性沥青453860.764.110%木质素改性沥青303062.964.8掺入木质素后,沥青针入度显著降低,软化点有一定程度提高,且木质素掺量越大试样指标变化越显著。同时,老化前后针入度与软化点变化规律一致。这是由于木质素可吸收沥青中轻质组分,增加了沥青黏度和刚度,进而提升了沥青稠度。由测力
15、延度试验结果得到的峰值力如图 1 所示。随着木质素含量的增加,测力峰值也随之增加。相较基质沥青,5%与 10%木质素掺量改性沥青测力延度最大力值分别提升 25%、54%,这与前述针入度、软化点变化规律一致。但传统的基本性能指标测值影响因素较多,并不能全面表征该沥青性能,为此后续对木质素改性沥青流变特性进行了系统研究。15.419.223.7?5%?10%?051015202530?图 1 不同木质素掺量改性沥青测力延度试验结果Fig.1 Force ductility test results of different lignin mixing modified asphalt3.2 高温温
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