木质素改性沥青的制备与性能研究「基于流变学的木质素纤维复配SBS改性沥青高低温性能及微观特性」

吕鹏磊 王宏光 王子照 赵晓斐 陈鲁超河北交通职业技术学院路桥工程系 东北林业大学土木工程学院 中铁建设集团有限公司

摘 要：为研究木质素纤维复配SBS改性沥青胶浆的流变特性及微观作用机理，制备了不同掺量的木质素纤维/SBS复合(WF/SBS)改性沥青，利用动态剪切流变(DSR)以及弯曲梁流变(BBR)试验分析了复合改性沥青的高、低温流变性能，通过针入度、软化点与延度试验评价了其基本物理性能；借助扫描电子显微镜(SEM)对改性沥青的微观结构、改性共混机理进行了观察与分析。研究结果表明：木质素纤维对SBS改性沥青的高温性能改善效果显著，低温抗裂性改善效果一般。在高温状态下，WF/SBS改性沥青表现出更优的弹性特性，具有更宽的相位角变化范围，更低的温度敏感性。基于扫描电镜SEM试验可知，WF/SBS是一种以物理改性为主的共混体系，木质素纤维的脱黏与拔出效应以及与SBS改性沥青复配后形成的“点 线”式的空间网络结构是促使其高温稳定性提升的主要原因。当木质素纤维掺量为0.2%时，其微观分布形态最优，掺量增加至0.3%时开始出现团聚现象。

关键词：SBS改性沥青;流变特性;木质素纤维;微观特性;作用机理;

基金：国家自然科学基金青年科学基金项目,项目编号51708092;河北省高等学校自然科学研究青年基金项目,项目编号QN2020436;中铁建设集团有限公司科研项目,项目编号19-34c;

纤维通过均匀分散于沥青中形成网络结构，产生加筋和搭接效应，一定程度上限制了沥青的自由流动，从而可有效增强沥青及沥青混合料的稳定性[1]。木质素纤维作为一种生物质纤维，具有较高的改性优势。已有研究表明[2,3,4,5],木质素纤维对沥青具有吸持性，可以阻止沥青胶浆的自由排出，并对混合料流值影响明显。木质素纤维对老化沥青路用性能提升明显。其可显著改善沥青混合料的黏附性以及抗剪性能，但低温性能的提升有限。近年来，因交通运输行业面临“碳达峰、碳中和”的目标要求和现实压力，促使低碳生态路面快速发展。木质素纤维作为生物质纤维，因其具有分散性好、增稠性强、韧性优以及环保等优点被重新认识。SBS改性沥青作为一种聚合物改性沥青已广泛用于高等级公路路面，具备优良的高低温性能。

鉴于此，本文考虑使用木质素纤维与SBS改性沥青进行复合改性，以期实现沥青胶结材料性能的进一步提升，为纤维改性沥青及沥青混合料的研究提供理论参考。

1 试验1.1试验材料1.1.1SBS改性沥青

SBS改性沥青由AH-70号基质沥青和5.0%SBS改性剂在实验室内制备。技术指标如表1所示。

表1 SBS改性沥青技术指标 导出到EXCEL

指标

技术要求

检测结果

试验方法

针入度(25℃,100 g, 5 s)/0.1mm

40～55

53.4

T0604

延度(5℃,5 cm/min)/cm

≥20

52.2

T0605

软化点TR& B/℃

≥60

75.1

T0606

动力黏度(135℃)/(Pa·s)

≤3

1.6

T0620

闪点/℃

≥230

335

T0611

163℃旋转薄膜加热

质量变化/%

≤±1.0

-0.08

T0609

残留针入度比(25℃)/%

≥65

94.5

T0604T0609

残留延度(5℃)/cm

≥15

31.2

T0605T0609

1.1.2木质素纤维(WF)

木质素纤维相关技术指标如表2所示。木质素纤维外形见图1(a),SEM扫描电镜微观形貌见图1(b)。

表2 木质素纤维技术指标 导出到EXCEL

检验项目

木质素纤维

颜色

灰白

纤维直径/μm

45

纤维长度/mm

密度/(g/cm3)

0.92

拉伸强度/MPa

弹性模量/GPa

3.5

断裂伸长率/%

12～21

含水率/%

1.74

灰分含量/%

17.96

pH值

7.2

图1 木质素纤维 下载原图

1.2试验方法1.2.1木质素纤维复配SBS(WF/SBS)改性沥青试验分组

为保证试验方案贴近工程实际，更好指导工程实践，试验中木质素纤维与SBS改性沥青比例的设定参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[6]中对SMA沥青混合料纤维稳定剂的相关要求。即纤维掺量一般不小于沥青混合料总质量的0.3%,沥青用量一般为6.0%。试验中变化木质素纤维掺量为0.1%、0.2%、0.4%与0.5%,增加未掺加纤维的(0.0%)SBS改性沥青以做对比试验。

1.2.2木质素纤维/SBS复合(WF/SBS)改性沥青的制备

采用玻璃棒人工分次搅拌的方法制备沥青胶浆。首先将原样沥青加热到 165℃,然后，分3次、每次间隔5 min将称量好的纤维依次加入，不断搅拌。最后，待全部纤维加入后再搅拌10 min, 直至无明显纤维浮于沥青上方，判断为均匀。

1.2.3物理性能测试

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[7]相关方法分别对WF/SBS改性沥青的针入度、延度与软化点进行测试。

1.2.4动态剪切流变(DSR)试验

采用动态剪切流变仪对不同掺量条件下的WF/SBS复合改性沥青施加正弦振荡荷载，进行温度扫描试验，以评价其高温流变性能。

试验温度为58℃～82℃,间隔温度设定为6℃,应变控制为2%,加载频率为1.59 Hz。试件平面尺寸为ϕ25 mm, 厚度为1 mm。固定板与试验板间距调整为1 mm。加载模式采用应变控制方式。

1.2.5弯曲梁流变(BBR)试验

采用弯曲梁流变仪对复合改性沥青进行低温流变性能试验，测得沥青弯曲蠕变劲度模量S和蠕变速率m,以此评价复合改性沥青的低温性能。

BBR试验温度设定为-6℃～18℃,温度间隔为6℃。小梁试件尺寸长为127 mm、宽为12.7 mm、厚为6.4 mm。

1.2.6扫描电子显微镜(SEM)试验

采用扫描电子显微镜(SEM)对复合改性沥青胶浆中的木质素纤维与SBS的分布形态以及微观形貌进行观察，以此分析改性沥青的作用机理。

试样采用洁净壁纸刀进行切割，尺寸为0.5 cm×0.5 cm×1.0 cm。

2 结果与分析2.1基础物理性能

针入度、软化点、延度测试结果如图2所示。

图2 WF含量对WB/SBS改性沥青3大指标的影响 下载原图

由图2(a)可知，WF/SBS复合改性沥青的针入度随木质素纤维含量的增加呈现先下降后逐渐趋于平稳的趋势。当掺量为0.4%时，针入度最小，为36(0.1 mm)。

由图2(b)可知，WF/SBS复合改性沥青的软化点指标随木质素纤维掺量的增加而呈现逐渐提高的趋势，并表现为掺入0.1%木质素纤维即可显著影响SBS改性沥青的软化点指标。掺入0.1%的木质素纤维即可提高SBS改性沥青的软化点9.4%,但是随掺量的进一步增加，WF/SBS复合改性沥青的软化点指标提升趋于平缓，逐渐趋于87℃。

由图2(c)可知，WF/SBS复合改性沥青的延度随木质素纤维掺量的增加，延度呈下降趋势。当WF掺量为0.1%～0.2%时，延度指标下降不大；当掺量达到0.3%时，延度指标下降明显，并且随后逐渐趋于平缓。

分析针入度、软化点以及延度变化趋势产生的原因为：一方面木质素纤维通过搅拌均匀分散在沥青中形成了相互搭接的网状结构，对沥青胶浆起到了加筋作用，木质素纤维自身具有的抗拉性能使得复合改性沥青胶浆抗裂强度增加，高温稳定性增强，从而表现为针入度数值下降、软化点提高；另一方面，因为木质素纤维自身比表面积大，具有较高的吸油性，一定程度上降低了沥青的黏度，加之木质素纤维与沥青的两相属性，木质素纤维会造成原有沥青之间的黏结，由原有的“面”接触变为含有部分 “点”接触的沥青胶浆，从而降低沥青自身的黏性，在进行延度试验时表现为过早断裂。

因此，当主要考虑低温抗裂性能时，建议木质素纤维掺量不宜超过0.2%;当主要考虑高温稳定性时，可适当提高WF/SBS复合改性沥青中WF的掺量至0.4%～0.5%。

2.2高温性能

由动态剪切流变试验可以直接获得表征沥青流变性能的复数剪切模量G*、相位角δ两个参数。复数剪切模量G*是材料应力与应变之比，用以表征线黏弹性范围内材料抵抗重复剪切变形的能力。G*值越大，则表明沥青胶浆抵抗剪切变形的能力越强。相位角则是指材料黏性部分与弹性部分之比。δ值越大，则表明沥青胶浆中黏性成分越多，弹塑性特征越差[8,9,10]。

不同温度下WF/SBS改性沥青的复数剪切模量变化曲线如图3所示，相位角变化曲线如图4所示。

图3 不同温度下WF复配SBS改性沥青的复数剪切模量变化曲线 下载原图

由图3、图4可以看出，同一试验温度条件下，随着木质素纤维掺量的增加，WF/SBS改性沥青剪切复数模量G*不断增长、相位角不断下降，即表现出更多弹性体的特性。相较于未加纤维的SBS改性沥青，掺加0.1%的木质素纤维可提升剪切复数模量约5 kPa。当掺量超过0.3%时，剪切复数模量增长逐渐趋于平缓，但仍呈增长趋势。对于相位角，则表现为基质沥青>SBS改性沥青>WF/SBS改性沥青。

图4 不同温度下WF复配SBS改性沥青的相位角变化曲线 下载原图

随着试验温度的逐渐升高，不同掺量的WF/SBS改性沥青的剪切复数模量逐渐降低，相位角逐渐增大。当试验温度达到82℃时，基质沥青相位角接近90°,SBS改性沥青相位角约为80°,WF/SBS改性沥青相位角约为70°。这说明木质素纤维的掺入降低了SBS改性沥青的黏性，使其表现出更多的弹性特性。

通常采用车辙因子G*/sinδ来表征沥青的高温流变性能，其数值越大，沥青胶浆的抗车辙能力也就越强。不同温度条件下，不同掺量复合改性沥青的G*/sinδ如图5所示。

图5 不同温度下WF/SBS复合改性沥青的G*/sinδ变化曲线 下载原图

由图5可以看出，随着温度的升高，WF/SBS复合改性沥青的车辙因子逐渐降低，并逐渐趋于稳定。在相同温度条件下，复合改性沥青、基质沥青与SBS改性沥青车辙因子排序为复合改性沥青>SBS改性沥青>70号基质沥青。木质素纤维掺量越大，高温抗车辙性能越强。如在58℃条件下，0.1%掺量的WF/SBS即可提升未掺加纤维的SBS改性沥青车辙因子约2倍，0.5%、0.4%、0.3%与0.2%掺量的车辙因子分别比0.1%掺量的车辙因子提升3.1 kPa、2.5kPa、1.0 kPa与0.9 kPa。当木质素纤维掺量高于0.3%后，提升速度逐渐趋缓。这主要源于木质素纤维分散于沥青中后能够形成空间网络结构，且表面粗糙，比表面积大，能够吸附更多沥青，一定程度上降低沥青的流动性与黏性，从而提高其高温性能。

不同掺量的WF/SBS改性沥青复数剪切模量随相位角变化曲线如图6所示。

图6 剪切复数模量随相位角变化曲线 下载原图

由图6可知，基质沥青、SBS改性沥青(0%WF)以及WF/SBS复合改性沥青的复数模量随相位角变化规律基本呈弧形，并且WF/SBS改性沥青的弧线长度要大于基质沥青和SBS改性沥青。这说明其温度敏感性要优于基质沥青和SBS改性沥青。在相位角方面，基质沥青的相位角接近90°,SBS改性沥青的相位角接近85°。这说明基质沥青与SBS改性沥青与木质素纤维复合沥青相比，相位角随温度的变化更为敏感。基质沥青在相位角接近90°以及SBS改性沥青在相位角接近85°时几乎变为全黏状态。分析其原因为：一方面木质素纤维的掺入使得WF/SBS改性沥青胶浆形成空间网状结构，在一定程度上对沥青分子起到了很好的约束作用，保证其在高温条件下具有较好的整体结构，并表现出良好的抗变形能力；另一方面木质素纤维本身较大的比表面积能够吸附更多的沥青，降低沥青的流动性，从而表现出更优的抗车辙性能[11]。

2.3低温性能

通过弯曲梁流变试验可以得到弯曲蠕变劲度模量S和蠕变速率m值两个参数。劲度模量S用以表征沥青抵抗低温永久变形的能力，m值则反映沥青及其结合料的应力松弛能力。对沥青胶浆而言，劲度模量S越小、蠕变速率m越大，则该种材料的黏性越大、弹性特征越小，说明低温状态下抗裂性能更优[12,13,14]。

木质素纤维复配SBS改性沥青低温流变性能试验结果如图7、图8所示。

图7 不同温度条件下WF掺量对蠕变劲度的影响 下载原图

图8 不同温度条件下WF掺量对蠕变速率的影响 下载原图

由图7可以看出，在同一温度条件下，木质素纤维的加入使得SBS改性沥青蠕变劲度先减小后增大，低温抗裂性呈现由强到弱的变化，在一定程度上改善了沥青胶浆的低温抗裂性。当WF掺量在0.2%范围左右时，WF/SBS复合改性沥青的低温抗裂性最优。分析其原因为该掺量条件下，WF纤维在沥青胶浆中的分散性和均匀性达到最佳，加筋作用显著，使之表现出了相对更优的抗裂性能。同一掺量条件下，蠕变劲度模量S由-12℃到-18℃的增加量要比由-6℃到-12℃的增加量更为显著，说明其低温性能下降得越来越快。同一掺量条件下，WF/SBS复合改性沥青的劲度模量按大小依次排序为：-18℃>-12℃>-6℃。由此可见温度越低，WF/SBS纤维沥青胶浆的低温抗裂性能越差。

由8图可知，在同一温度条件下，随着木质素纤维掺量的增加，WF/SBS复合改性沥青的蠕变速率m值均呈现出先增后减的趋势。在WF含量为0.2%左右时，蠕变速率m值最大，分别为0.664、0.471与0.349。当木质素纤维掺量由0.2%继续增加时，m值又缓慢下降。同一掺量条件下，-6℃、-12℃以及-18℃等3个试验温度条件下的蠕变速率m值相差不大。由此可知，一定掺量的木质素纤维，能够改善 SBS改性沥青胶浆蠕变速率，提升其内部抵抗温度应力的能力，降低沥青胶浆的开裂风险；木质素纤维掺量的持续增加则可能会导致木质素纤维出现结团、团聚等现象，反而降低WF/SBS改性沥青的应力松弛能力[15,16,17]。

由图7、图8分析可知，WF掺量由0增加到0.1%时，其无论对劲度模量或是蠕变速率影响均较为有限。这是因为当掺量≤0.1%时，WF在沥青胶浆中的数量有限，其对纤维沥青胶浆的流变性能影响微弱。随着木质素纤维掺量的增大，纤维的加筋和桥连作用逐渐凸显。但是，在低温状态下，木质素纤维掺量的增大对WF/SBS复合改性沥青的抗低温开裂性能提升效果有限。

2.4扫描电镜试验

沥青作为黏结材料，在高温改性时与SBS发生溶胀作用，而木质素纤维则在沥青胶浆中呈物理分散状态 [18,19]。为进一步揭示木质素纤维/SBS复合改性沥青的作用机制，采用扫描电子显微镜试验对不同掺量条件下的WF/SBS复合沥青的微观分布形态与结构进行观察与分析。复合改性沥青电镜扫描图如图9所示。

从图9可以看出，SBS呈颗粒状形态分散在沥青胶浆中。由图9(a)能够清晰地观察到木质素纤维为中空的针管状结构，管胞内部未发现沥青进入。木质素纤维四周呈现以纤维为中心的放射状拉痕，说明木质素纤维起到了脱黏和拔出作用[20]。

从图9(b)可以看出，当木质素纤维掺量为0.2%时，木质素纤维在沥青胶浆中的分布较为均匀，SBS 则以颗粒状分布于沥青中，并部分吸附于木质素纤维表面。木质素纤维与SBS之间相互搭接形成更为稳定的“点 线”式的空间网络结构。此时，沥青的黏性特征被进一步降低，弹塑性特征(抗车辙性)更为明显。

从图9(c)可以看出，当木质素纤维掺量增大至0.3%时，木质素纤维开始在局部出现团聚现象，黏性特征进一步降低的趋势出现停滞。

从图9(e)可以看出，当木质素纤维掺量增大至0.5%时，木质素纤维在沥青胶浆中分布较为密集，且团聚现象较重，一定程度上影响了沥青胶浆的稳定性，反而使其流变性能降低。

图9 木质素纤维/SBS复合改性沥青SEM照片 下载原图

综上，由扫描电子显微分析可知：WF/SBS是一种以物理改性为主的共混体系。木质素纤维具有的脱黏和拔出效应，以及与SBS形成的“点 线”式网络结构，可进一步提升SBS改性沥青的高低温性能。随着木质素纤维掺量的增加，木质素纤维与SBS逐渐形成更为稳定的“点 线”形式的空间网络结构，沥青胶浆的黏性特征逐渐减弱，弹塑性抗变形能力增强。当掺量为0.2%时，弹性特征最优。当掺量增加至0.3%时，木质素纤维开始在局部出现团聚现象；当掺量增加至0.5%时，团聚现象明显，抗变形能力下降明显。

3 结语

(1)木质素纤维的掺入可提升SBS改性沥青的软化点，降低针入度与延度。当主要考虑低温抗裂性能时，建议木质素纤维掺量不宜超过0.2%。当主要考虑高温稳定性时，可适当提高WF/SBS复合改性沥青中WF的掺量。

(2)随着木质素纤维掺量的逐渐提高，WF/SBS改性沥青的剪切复数模量逐渐增大然后趋于平缓，相位角则先逐渐变小然后逐渐趋于平缓。在高温状态下，WF/SBS改性沥青具有更宽的相位角变化范围，表现出更优的弹性特性，更低的温度敏感性。

(3)木质素纤维的加入在一定程度上改善了WF/SBS改性沥青的低温抗裂性。当WF掺量在0.2%左右时，WF/SBS复合改性沥青的低温抗裂性最优。

(4)电镜扫描试验结果表明，木质素纤维为针管状中空结构，部分木质素纤维管并没有沥青的流入。WF/SBS是一种以物理改性为主的共混体系，木质素纤维的脱黏和拔出效应以及与SBS形成的“点 线”式网络结构提升了其高温稳定性。当掺量为0.2%时，弹性特征最优。当掺量增加至0.3%时，木质素纤维开始在局部出现团聚现象。

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