隨著我國公路網建設完善，石油瀝青消耗量巨大，其資源再生周期長且加工污染環境，尋求替代材料意義重大。生物質油與石油瀝青共混的生物瀝青具有可再生、價格低、分布廣等優點，但與集料黏附性差限制了應用。若克服這一缺陷，可推動其工程應用。目前改善黏附性手段存在成本高、可能影響低溫性能等問題，而硅藻土作為無機材料，具有價格低廉、多孔、比表面積大等優點，雖在瀝青混合料中可提升高溫、低溫和水穩定性，但尚未應用于生物瀝青。文中擬探究不同摻量硅藻土對生物瀝青與集料黏附性的影響。

　　1 實驗部分

　　1.1 主要原料

　　生物質油：研究所采用的生物質油來源于河北某生物質能源企業，其原料為木屑，常溫下為黑色膏狀物。

　　石油瀝青：70# 鑫海石油瀝青，技術指標滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTGF40—2004) 的規定，具體物理性能指標如下：25℃針入度為 73.4 (0.1mm)、軟化點為 49.6℃、10℃延度為 46.0cm。

　　硅藻土：研究采用的硅藻土來源于青島盛泰硅業有限公司，顏色為灰白色，pH 值為 5~7，其中 SiO₂含量≥85%，并含有少量的 FeO₂、Al₂O₃。

　　1.2 試樣制備

　　研究中，生物質油摻量為石油瀝青質量的 10%。具體制備流程為：首先，將石油瀝青放入恒溫烘箱內，待石油瀝青被加熱達到流動態后，將預熱至 110℃的生物質油勻速地加入至石油瀝青中，在 135℃、3000r/min 的條件下，剪切 30min 制備得到生物瀝青;然后，再分別以石油瀝青質量的 11%、13%、15%、17% 和 19% 的硅藻土加入到生物瀝青中，繼續剪切 20min 得到硅藻土改性生物瀝青，在制備過程中使用玻璃棒不斷攪拌混合。

　　1.3 試驗方法

　　1.3.1 常規性能試驗

　　對不同摻量硅藻土制備得到的硅藻土改性生物瀝青進行 25℃針入度、軟化點與 10℃延度等基本物理性能指標試驗，各項試驗分別按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG-E20-2011) 中 T0604(針入度試驗)、T0606(軟化點試驗)和 T0605(延度試驗)進行。

　　1.3.2 布氏旋轉黏度試驗

　　采用布洛克菲爾德黏度儀 (Brookfield DV-Il+Pro 型) 對基質瀝青、生物瀝青 (BIO) 和硅藻土改性生物瀝青在 135℃、145℃、155℃、165℃、175℃進行黏度測試，試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG-E20-2011) 中 T0625 進行。

　　1.3.3 改進水煮法試驗

　　傳統水煮法試驗難以精確掌控，評價指標無法定量且主觀影響很大。本研究基于傳統水煮法試驗進行改進，以連續性試驗 (3、6、9、12、15min) 方法測定硅藻土改性生物瀝青與集料在水煮試驗中的瀝青質量變化情況，并以基質瀝青、生物瀝青作為對照組。試驗采用的集料為石灰巖，每次試驗 5 組，結果取平均值。在石料裹覆瀝青后，需放涼冷卻至室溫并去除多余瀝青，同時在水煮過程中用紙片或玻璃棒對剝落瀝青進行處理，防止剝落的懸浮瀝青對石料重新裹覆，影響試驗結果。

　　按照公式 (1) 計算得到瀝青的質量損失率 F (%)，參考瀝青黏附性分級表評價硅藻土改性生物瀝青與集料的黏附性能。

　　1.3.4 接觸角試驗

　　采用躺滴法對瀝青表面能參數進行測試。將制備好的硅藻土改性生物瀝青用玻璃棒滴到載玻片上，將載玻片放置于加熱爐上使瀝青加熱達到流動態，使瀝青在載玻片上形成光滑的平面，在瀝青冷卻后，放置于干燥無塵的容器中，即可獲得接觸角試件。

　　2 結果與討論

　　2.1 三大指標分析

　　瀝青的針入度、軟化點、延度等指標分別對瀝青的稠度、高溫穩定性與塑性等進行表征。針入度能夠反映瀝青自身的稠度，是我國瀝青標號劃分的主要依據。結果表明，隨著硅藻土摻量的增大，針入度逐步下降。在 11% 的硅藻土摻量下，改性生物瀝青針入度已小于基質瀝青。

　　軟化點是反映石油瀝青高溫性能的重要指標，軟化點越高，說明瀝青的熱穩定性能越好?？梢钥闯?，隨著硅藻土摻量的增加，改性生物瀝青的軟化點逐漸升高，高溫性能得到提升，但增長趨勢較為平緩，相較于原生物瀝青的軟化點提升了 7% 左右。

　　延度是反映瀝青低溫性能的重要指標，延度越大，瀝青的低溫性能越好。生物質油的摻加使瀝青的延度有所下降，硅藻土的加入使延度下降幅度進一步加大，在摻量超過 15% 后，延度略微提升。主要原因是硅藻土的改性過程僅在瀝青中進行分散，與聚合物改性劑在瀝青中發生交聯作用不同，硅藻土在瀝青中以微粒的形式存在，延度試驗中瀝青被拉伸，硅藻土微粒會使瀝青產生應力集中，從而導致瀝青過早發生斷裂。

　　2.2 布氏旋轉黏度結果分析

　　瀝青作為一種黏彈性材料，其黏度對溫度十分敏感，是影響瀝青膠結料與集料之間黏附性的重要因素之一。瀝青自身黏度的增大有利于增強自身與集料之間黏附性，因為瀝青黏度越大說明其重質組分含量越多，與集料的化學吸附能力越強，會使集料表面的瀝青膜有效厚度增大。曲線分別代表 70# 鑫海瀝青、BIO、BIO+11%、BIO+13%、BIO+15%、BIO+17%、BIO+19%)。

　　加入生物質油后，生物瀝青的黏度相較于基質瀝青有了較大程度的降低，原因是生物油的加入使瀝青整體輕質組分占比例提升所致。通過黏度變化可以發現，生物瀝青的黏度隨著硅藻土摻量的增加而增大，在 135℃、145℃下，11% 摻量時的硅藻土改性生物瀝青的黏度已與基質瀝青相近。從黏度增長趨勢來看，硅藻土摻量超過 17% 后，黏度幾乎不再增大，所以硅藻土摻量不宜超過 17%。

　　2.3 改進水煮法試驗結果分析

　　水煮時間為 3min 時，各組瀝青的剝落質量差別不大，黏附等級均為 9 級及以上。但隨著水煮時間的不斷加長，質量損失逐漸增多，黏附等級開始降低，BIO 與其他各組瀝青的差距逐漸被拉大。當水煮時間到達 15min 時，BIO+17% 的質量損失率相較于 BIO 降低了 36.44%，這表明硅藻土能夠顯著提升生物瀝青與集料的黏附性。各組瀝青與集料黏附等級大小排序為 17%>15%≈19%>13%≈11%≈70# 鑫海 > BIO，可以發現當硅藻土的摻量為 17% 時，生物瀝青的質量損失率達到最小;但摻量的繼續增大并沒有使質量損失率降低，說明硅藻土能夠提升生物瀝青與集料的黏附性能并存在最佳摻量。

　　2.4 表面能結果分析

　　通過測試得到的接觸角，計算出不同硅藻土摻量下生物瀝青的表面能、極性分量與色散分量。結合楊氏方程計算得到生物瀝青的黏聚功 W_cohesion、生物瀝青與集料的黏附功 W_as 與剝落功 W_asw，采用無量綱能量參數 ER 對生物瀝青 - 集料界面體系的水穩定性進行綜合全面地評價。

　　2.4.1 表面能及其分量

　　根據測試得到液體與瀝青的接觸角與測試液體的表面能參數，可得到各組生物瀝青的表面能參數。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;極性分量越大，瀝青越容易遭到水分浸入，從集料表面剝離。在加入了生物質油后，生物瀝青相較于基質瀝青表面能有一定程度的降低，而硅藻土的加入使生物瀝青表面能得到提升，摻加了 17% 硅藻土后的表面能相較于基質瀝青與生物瀝青分別提高了 67.7% 與 137.1%。因此，硅藻土的加入使生物瀝青具有更好的抗水損害能力。

　　2.4.2 黏聚功、黏附功與剝落功

　　瀝青黏聚功是指將單位面積的瀝青分為 2 個表面的能量，黏聚功越大，瀝青抵抗水分的能力越強。由于黏聚功在數值上為表面自由能的 2 倍，黏聚功與表面自由能的變化趨勢相同。在 17% 摻量時硅藻土改性瀝青表現出更強的自聚力，有著較好的抗開裂能力，推測原因是硅藻土具有較大的比表面積，微孔結構也有利于瀝青的吸附和濕潤，能夠提高硅藻土與瀝青之間的黏結力。

　　黏附功是指無水條件下瀝青與集料兩個表面體系結合成為一個表面體系所釋放出的能量，黏附功越大表明體系越穩定，瀝青混合料的水穩定性越好?；|瀝青與石灰巖的黏附功為 121.1mJ/m²，而在加入了生物質油后黏附功下降了約 12.2%，表明生物質油對瀝青 - 集料體系的穩定性有削弱作用。硅藻土的加入，使生物瀝青的黏附功迅速得到提升，在 17% 摻量時，黏附功達到 138.8mJ/m²，相較于基質瀝青與生物瀝青分別提升了約 14.6% 與 28.6%，硅藻土改性生物瀝青與集料表現出較好的黏附性能。原因是硅藻土的微孔結構相當于微毛細管，會產生毛細作用，從而增加了瀝青的界面作用力，增強了黏附性能。剝落功表征的是有水條件下瀝青 - 集料 - 水 3 種體系的作用過程，剝落功越大則表明水分更容易替代瀝青膜，瀝青與集料的黏結效果更差。

　　生物瀝青的剝落功隨著硅藻土摻量的增加先下降后提高，17% 摻量時的剝落功相較于基質瀝青與生物瀝青下降了約 17.1% 和 27.4%，說明硅藻土降低了生物瀝青的水分敏感性。

　　2.4.3 ER 值

　　以能量參數 ER 作為體系的綜合評價指標?？梢园l現，生物瀝青的能量參數 ER 相較于基質瀝青降低了 15.7%，在硅藻土摻量達到 13% 時的 ER 反超基質瀝青。隨著硅藻土摻量的逐漸增加，ER 值在 17% 摻量時達到最大，而后略微下降，這與黏聚功、黏附功趨勢相同。所以，硅藻土摻加量為 17% 時，能最大程度提升生物瀝青 - 集料 - 水體系的穩定性，提高生物瀝青混合料抵御水損害的能力，延長路面服務壽命。

　　3 結論

　　硅藻土能夠改善生物瀝青的物理性能，改性生物瀝青的針入度下降，軟化點提升約 7%，而延度先降低后提升。具體表現為：隨著硅藻土摻量增大，針入度逐步下降，11% 摻量時已小于基質瀝青;軟化點逐漸升高，高溫性能提升;延度因生物質油和硅藻土的加入先降后微升，摻量超過 15% 后略升。

　　改性生物瀝青的黏度隨著硅藻土摻量的增加而增大，但在摻量超過 17% 后，黏度幾乎不再增大。生物瀝青黏度因生物質油加入輕質組分增加而降低，硅藻土摻量增加使黏度增大，135℃、145℃下 11% 摻量時接近基質瀝青，超過 17% 后趨于穩定，故摻量不宜超過 17%。

　　硅藻土能夠提升生物瀝青與集料的黏附性，17% 硅藻土摻量時的改進水煮試驗中的瀝青質量損失率相較于原生物瀝青下降了 36.44%。水煮試驗表明，17% 摻量時質量損失率最小，黏附等級最高，繼續增大摻量未進一步降低損失率，存在最佳摻量。

　　相較于生物瀝青，17% 硅藻土摻量時的改性生物瀝青的表面能和黏聚功提高了 137.1%，黏附功提高了 28.6%，而剝落功下降了 27.4%，ER 值達到最大。表面能提升增強抗水損害能力，黏聚功和黏附功增大、剝落功降低及 ER 值最大，均表明該摻量下體系穩定性最佳，抗水損害能力強。

李寧利;梁文鑫;栗培龍,河北工業大學土木與交通學院;長安大學道路結構與材料交通運輸行業重點實驗室,202501