秸稈纖維路用性能試驗(yàn)研究

郎 森,陸海軍,蔡光華

(武漢工業(yè)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,湖北武漢 430023)

瀝青路面作為一種無(wú)接縫連續(xù)路面,具有良好的行車舒適性和優(yōu)異的使用性能,具體表現(xiàn)為整體強(qiáng)度高、行車平穩(wěn)性好、低噪音、振動(dòng)小、建設(shè)速度快、維修比較方便特點(diǎn),被我國(guó)及世界各國(guó)廣泛采用,在道路建設(shè)中占有很大比例[1]。但目前瀝青路面普遍存在的技術(shù)和質(zhì)量問(wèn)題主要是公路工程使用壽命低和路面早期損壞現(xiàn)象嚴(yán)重,瀝青道路的實(shí)際使用壽命普遍達(dá)不到設(shè)計(jì)的使用壽命,同時(shí)坑槽、開裂、車轍、泛油、抗滑性能不足等早期損壞現(xiàn)象,嚴(yán)重威脅著交通安全,不得不進(jìn)行修復(fù),造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。新建高速公路瀝青路面產(chǎn)生早期損壞的原因,一方面是由于設(shè)計(jì)、施工方面的原因,材料性能差則是另一個(gè)重要因素。目前,對(duì)改善瀝青混凝土路面的使用性能的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是改善礦質(zhì)混合料的級(jí)配和施工工藝來(lái)提高瀝青混合料的抗高溫抗變形能力,另一方面則是從改善材料方面入手,如改性瀝青等[2]。

近年來(lái),由于一些纖維具有高強(qiáng)度、高延伸率、高取向性、易拌和等路用性能,被越來(lái)越多的用于瀝青路面中[3]。纖維增強(qiáng)瀝青路面以其性能好、施工技術(shù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)已受到越來(lái)越多的關(guān)注。在瀝青混合料中加入纖維加筋材料,能夠改善其整體的物理力學(xué)性能。目前,在瀝青路面中常用的纖維材料主要有鋼纖維、玻璃纖維、木質(zhì)素纖維、礦物纖維、聚脂纖維和聚丙烯腈纖維等。鋼纖維具有高強(qiáng)度、耐高溫、高彎曲彈性和高取向性等路用性能,但也具有電解化學(xué)腐蝕,與瀝青混凝土的不相容,粘附性能差,握裹力低,成本高等缺點(diǎn);聚脂纖維路用性能較好,其缺點(diǎn)是呈化學(xué)惰性、表面光滑,與其它聚合物難以粘合,而且造價(jià)較高,不宜推廣;玻璃纖維具有很高的初始長(zhǎng)徑比,但具有較脆,易斷裂等缺點(diǎn),因而長(zhǎng)徑比會(huì)急劇降低,補(bǔ)強(qiáng)效果也就很差,再者其表面缺乏反應(yīng)性,因此很難達(dá)到與基質(zhì)的良好粘合;木質(zhì)素纖維具有化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定、吸油能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于瀝青路面中。但目前大部分木質(zhì)素纖維的原材料為廢舊報(bào)紙或原木,容易造成高速公路周圍環(huán)境的鉛污染和對(duì)森林資源的過(guò)度需求,不能滿足節(jié)能減排要求。本文以農(nóng)作物秸稈為原料提取秸稈纖維,并與木質(zhì)素纖維和礦物纖維進(jìn)行路用性能試驗(yàn)比較,研究秸稈纖維取代木質(zhì)素纖維作為瀝青路面添加材料的可行性。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 秸稈纖維提取

本實(shí)驗(yàn)采用堿法蒸煮提取秸稈纖維,將農(nóng)作物秸稈除去葉、穗、節(jié)等雜質(zhì),截取秸稈長(zhǎng)度為 3― 5 cm長(zhǎng),洗凈,晾干,放入包裝袋備用。用堿量 (工業(yè)純 NaOH)取 10%,最高蒸煮壓力 380― 530 kPa,蒸煮時(shí)間為 3― 4 h,蒸煮溫度 150― 160℃,高溫蒸煮鍋進(jìn)行蒸煮。蒸煮完畢后,過(guò)濾,洗去堿液,用烘箱烘干即得秸稈纖維。

1.2 試驗(yàn)材料及混合料配合比設(shè)計(jì)

瀝青：試驗(yàn)采用 AH-70瀝青,集料：粗集料 (玄武巖碎石),細(xì)集料 (石灰?guī)r石屑),填料使用磨細(xì)的石灰石粉。實(shí)驗(yàn)中為了便于對(duì)比,纖維采用自己提取的秸稈纖維,國(guó)產(chǎn)木質(zhì)素纖維和礦物纖維。木質(zhì)素纖維是天然木材或者回收的廢報(bào)紙經(jīng)過(guò)化學(xué)處理得到的有機(jī)纖維,表面比較粗糙,易于吸持瀝青,化學(xué)性能比較穩(wěn)定。礦物纖維是以玄武巖等礦石為原料生產(chǎn),是一種無(wú)機(jī)非金屬材料,具有較高的強(qiáng)度與彈性模量,化學(xué)性能穩(wěn)定,不吸水不易受潮,抗氧化能力強(qiáng),工作溫度為 -260― 700℃,具有較好的分散性,易于在瀝青混合料中均勻分散。纖維摻量 Pf以礦料質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)計(jì)。試驗(yàn)中,秸稈纖維、木質(zhì)素纖維和礦物纖維摻量均分別取 0.25%,0.30%,0.35%,0.40%,0.45%。由初步試驗(yàn)確定的 SMA(Stone Marix Asphalt,瀝青瑪蹄脂碎石混合料)-13設(shè)計(jì)目標(biāo)級(jí)配見表1。

表1 SMA-13級(jí)配設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 052― 2000)規(guī)定的方法,分別進(jìn)行 SMA的析漏損失△m,飛散損失△S,浸水殘留穩(wěn)定度MS0,凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比 TSR以及動(dòng)穩(wěn)定度DS試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 析漏損失

謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)瀝青混合料中自由瀝青或?yàn)r青瑪蹄脂是否過(guò)量而進(jìn)行的試驗(yàn),由此確定最大瀝青用量。SMA盡管需要較多的瀝青,但不能超過(guò)所有礦料的表面積所能吸附的最大瀝青用量,否則就要產(chǎn)生多余的自由瀝青,成為集料之間的潤(rùn)滑劑,造成瑪蹄脂上浮,影響構(gòu)造深度,降低高溫性能。不同纖維析漏損失結(jié)果見圖1;不同纖維SMA路用性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖1 不同纖維析漏損失結(jié)果對(duì)比

表2 不同纖維 SMA路用性能試驗(yàn)結(jié)果

由圖1和表2結(jié)果可知,秸稈纖維,木質(zhì)素纖維和礦物纖維 SMA隨著纖維摻量的不斷增加,其析漏損失△m均呈現(xiàn)不斷降低,是由于添加纖維后,纖維能夠吸附混合料中的瀝青,有利于形成較厚的瀝青膜而不致使瀝青滴落。在油石比相同的情況下,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維 SMA的析漏損失△m遠(yuǎn)低于礦物纖維,而秸稈纖維和木質(zhì)素纖維 SMA的析漏損失△m卻相差不大,說(shuō)明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的吸油能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于礦物纖維,而秸稈纖維和木質(zhì)素纖維吸油能力接近。這主要是因?yàn)榈V物纖維表面直而光,具有較小的比表面積,而秸稈纖維和木質(zhì)素纖維表面比較粗糙,易于吸持瀝青。而且,從掃描電鏡下還可見秸稈纖維具有中空管狀結(jié)構(gòu),其比表面積是礦物纖維的 20倍,可吸附瀝青的表面較礦物纖維大得多,因而,比礦物纖維具有更好的吸持和穩(wěn)定瀝青的能力。圖2是提取的秸稈纖維掃面電鏡圖片,由圖中可以看到秸稈纖維表面比較粗糙,有許多類似顆粒狀物質(zhì)。

圖2 秸稈纖維電鏡掃描圖片

2.2 水穩(wěn)定性

瀝青路面水損壞是指瀝青路面在水存在的條件下,經(jīng)受交通荷載和溫度變化的反復(fù)作用,水分逐步侵入到瀝青和集料界面上,同時(shí)在動(dòng)水壓力作用下瀝青膜逐漸從集料表面剝落,導(dǎo)致瀝青與集料之間粘結(jié)力喪失而發(fā)生瀝青路面損壞[4]。在潮濕多雨地區(qū),水損壞是瀝青路面損壞主要形式之一。有文獻(xiàn)指出[5],瀝青改性與否對(duì) SMA水穩(wěn)性的影響不大,但不同纖維品種會(huì)有所不同。不同纖維浸水殘留穩(wěn)定度MS0結(jié)果見圖3。

圖3 不同纖維浸水殘留穩(wěn)定度MS0對(duì)比

浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表明,三種纖維均具有較高的殘留馬歇爾穩(wěn)定度,均能滿足規(guī)范要求,總體上礦物纖維 SMA要略高于秸稈纖維和木質(zhì)素纖維,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維浸水殘留穩(wěn)定度MSo隨著纖維摻量的增加并沒(méi)有明顯變化,但兩者之間差別不大。不同纖維劈裂抗拉強(qiáng)度比 TSR結(jié)果見圖4。

圖4 不同纖維劈裂抗拉強(qiáng)度比 TSR對(duì)比

凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果表明,三種纖維瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比 (TSR)均能滿足規(guī)范要求,與浸水馬歇爾試驗(yàn)相比其值略有降低,這是由于凍融劈裂試驗(yàn)經(jīng)過(guò)凍融循環(huán),其試驗(yàn)條件要比浸水試驗(yàn)更為苛刻[6]。同時(shí)也說(shuō)明凍融劈裂試驗(yàn)更適合評(píng)價(jià)瀝青混合料抗水損害性能。而三種纖維中,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維 SMA的劈裂強(qiáng)度比 TSR要略低于礦物纖維,說(shuō)明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維混合料的抗水損壞能力不如礦物纖維瀝青混合料,但是相差不大。

綜合浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的耐水損害能力要略低于礦物纖維,但是比較接近均能滿足規(guī)范要求。

2.3 抗車轍性能

瀝青路面的高溫穩(wěn)定性習(xí)慣上是指瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。車轍試驗(yàn)是模擬車輪在路面上行駛而形成車轍的工程試驗(yàn)方法,其試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際路面有良好相關(guān)性,是評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫抗變形能力的一種重要試驗(yàn)方法。高溫穩(wěn)定性一般用瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度 DS表征。不同纖維動(dòng)穩(wěn)定度 DS結(jié)果見圖5。

圖5 不同纖維動(dòng)穩(wěn)定度DS對(duì)比

由圖5結(jié)果可知,摻秸稈纖維和木質(zhì)素纖維SMA的DS高于摻礦物纖維 SMA。說(shuō)明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維要比礦物纖維具有更好的抗車轍性能。這可能是由于秸稈纖維和木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青的吸附、穩(wěn)定、增粘效果優(yōu)于礦物纖維[7],這也與析漏試驗(yàn)結(jié)果一致。

隨著秸稈纖維和木質(zhì)素纖維摻量的增加,SMA的動(dòng)穩(wěn)定度 DS逐漸增大,高溫穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。秸稈纖維和木質(zhì)素纖維之所以能夠改善瀝青混合料的高溫性能,是由于纖維對(duì)瀝青的吸收和吸附作用,特別是瀝青中較輕的油分被纖維吸附后,瀝青的軟化點(diǎn)提高,粘稠度和粘聚力增大,導(dǎo)致瀝青膠漿勁度增加,極大地提高了混合料的動(dòng)穩(wěn)定度,改善了混合料的高溫穩(wěn)定性,進(jìn)而顯著提高 SMA抵抗變形的能力。

在相同的油石比和相同的纖維摻量下,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的動(dòng)穩(wěn)定 DS高于礦物纖維,說(shuō)明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維 SMA的耐高溫能力優(yōu)于礦物纖維 SMA。摻 0.40%礦物纖維 SMA其 DS要高于摻 0.25%,0.30%和 0.35%礦物纖維 SMA,但是摻 0.45%礦物纖維 SMA其 DS卻低于摻 0.40%礦物纖維 SMA,這說(shuō)明隨著礦物纖維摻量的增加,SMA的DS表現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律,即存在一峰值。

3 結(jié)論

3.1 在油石比相同的情況下,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維 SMA的析漏損失遠(yuǎn)低于礦物纖維 SMA,而秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的析漏損失相差不大,說(shuō)明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維吸持和穩(wěn)定瀝青的能力優(yōu)于礦物纖維。

3.2 在耐水損害能力方面,礦物纖維要略優(yōu)于秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的耐水損害能力。

3.3 秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的動(dòng)穩(wěn)定度相差不大,均高于礦物纖維,表明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青的吸附、穩(wěn)定、增粘效果優(yōu)于礦物纖維。

3.4 在抗析漏損失、耐水損害能力和抗高溫變形能力方面,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維各項(xiàng)指標(biāo)均差別不大,同時(shí)秸稈纖維在成本和環(huán)保方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于木質(zhì)素纖維,說(shuō)明秸稈纖維完全可以取代木質(zhì)素纖維作為瀝青路面添加材料。

[1] 陳華鑫,李寧利,胡長(zhǎng)順,等.纖維瀝青混合料路用性能[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(2)：l-6.

[2] 孫家瑛,任傳軍,戴亞英.纖維對(duì)瀝青混合料路用性能影響研究[J].中外公路,2004(26)：175-177.

[3] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 沈金安,李福普.SMA路面設(shè)計(jì)與鋪筑 [M].北京：人民交通出版社,2003.

[5] 張遠(yuǎn)航,吳國(guó)雄,孟巧娟.纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 ),2008(2)：244-247.

[6] 姜艦,潘洪祥,王兵.纖維加筋瀝青混凝土抗裂性能研究[J].中外公路,2004,24(5)：111-113.

[7] 彭波,李文瑛,戴經(jīng)梁.纖維在瀝青混合料中應(yīng)用的研究[J].中南公路工程,2003,28(2)：44-46.