秸稈纖維改性瀝青混合料的試驗及應(yīng)用研究

摘要：文章對比木質(zhì)素纖維改性效果，制備玉米秸稈纖維并對其在瀝青混合料中的改性效果及相關(guān)性能進(jìn)行了研究，同時鋪筑試驗路段對玉米秸稈纖維改性瀝青混合料的實際應(yīng)用效果進(jìn)行了評價。室內(nèi)試驗表明：普通瀝青混合料在摻入0. 3%玉米秸稈纖維后，其動穩(wěn)定度提高了30. 8%，低溫破壞應(yīng)變提高了20.3%，凍融劈裂強度比與殘留穩(wěn)定度分別提高了4.1%、4. 5%，路用性能優(yōu)異;相比于木質(zhì)素纖維改性瀝青混合料，普通瀝青混合料在摻入0.3%玉米秸稈纖維后，其高溫穩(wěn)定性優(yōu)于前者，低溫抗裂性與水穩(wěn)定性能與前者相當(dāng)。工程應(yīng)用實例表明：采用玉米秸稈纖維進(jìn)行瀝青路面上面層鋪筑的試驗路段，在通車三年內(nèi)路面平整度高，無車轍病害及明顯裂縫產(chǎn)生，實際使用性能優(yōu)異，可對其進(jìn)行推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈纖維;木質(zhì)素纖維;改性瀝青混合料;路用性能;室內(nèi)試驗

中圖分類號：U416. 03文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019.12.007

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0022 - 04

0 引言

路用纖維目前已廣泛在瀝青路面中應(yīng)用，已有研究表明，在瀝青混合料中摻入玄武巖纖維、聚酯纖維及木質(zhì)素等纖維可有效改善瀝青路面的高低溫穩(wěn)定性，大大增加了瀝青路面的應(yīng)用范圍，以滿足特殊天氣及特殊車轍下的交通需要[1 -4]。

玉米作為我國重要的農(nóng)作物被廣泛種植，但玉米秸稈的處理目前仍無十分有效的解決途徑，秸稈回收途徑有限，相當(dāng)一部分秸稈仍在進(jìn)行焚燒處理，既造成了資源浪費又污染了環(huán)境。由于玉米秸稈中具有一定的天然木質(zhì)纖維素，考慮到目前木質(zhì)素纖維在瀝青路面中的應(yīng)用可行性，將玉米秸稈加工成秸稈纖維為玉米秸稈的處理提供了一種新的思路。目前國內(nèi)外已對類似的“生物纖維”進(jìn)行了相關(guān)研究。Ochepo[5]研究發(fā)現(xiàn)在路面基層材料中摻入一定的蔗渣纖維可有效增加路面基層的強度;Panda[6]對椰子纖維進(jìn)行了試驗研究，試驗表明在SMA瀝青混合料中摻入一定量的椰子纖維可有效改善路用性能，并且得到椰子纖維的最佳摻量為0. 3%;李魏巍[7]的研究表明棉秸稈纖維與木質(zhì)纖維對瀝青混合料的改性效果相似，路用性能相近。

本文對比木質(zhì)素纖維，制備玉米秸稈纖維并對其在瀝青混合料中的改性效果及相關(guān)性能進(jìn)行了研究，鋪筑試驗路段對玉米秸稈纖維改性瀝青混合料的實際應(yīng)用效果進(jìn)行了評價。

1 室內(nèi)試驗

1.1試驗材料

（l）玉米秸稈纖維：室內(nèi)制備秸稈纖維的主要流程為[7]：秸稈取芯取皮→浸泡→破碎→烘干→篩分。室內(nèi)制備的玉米秸稈纖維相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

（2）木質(zhì)素纖維：試驗所用纖維為重慶廣為道路材料有限公司生產(chǎn)，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

（3）瀝青：試驗選用SBS（I -C）改性瀝青，主要性能指標(biāo)參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8]檢測，如表2所示。

（4）集料：碎石集料選用玄武巖，礦粉為石灰?guī)r粉末。相關(guān)性能檢測結(jié)果如表3所示。

1.2 配合比設(shè)計

（1）礦料級配

選用AC-1 3型級配類型，設(shè)計時的目標(biāo)級配以相關(guān)規(guī)范[8]中所規(guī)定的級配中值為標(biāo)準(zhǔn)，合成級配設(shè)計如表4所示。

（2）配合比設(shè)計

參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[8]，采用馬歇爾試驗進(jìn)行配合比設(shè)計。試驗結(jié)果如表5所示。

1.3 試驗方案

參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9]所要求的試驗方法及步驟檢測路用性能，按設(shè)計級配及配合比制備三類不同瀝青混合料試件，分別進(jìn)行高溫車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗及浸水馬歇爾試驗。

2 室內(nèi)試驗結(jié)果分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性通過車轍試驗進(jìn)行評測，溫度為60℃，輪壓為0.7 MPa。每類瀝青混合料制備三個試件，兩種纖維的摻量均為0. 3%。試驗結(jié)果如表6和下頁圖1所示。

由表6和圖1可知，三種不同類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能試驗檢測結(jié)果均滿足規(guī)范要求。相比于未摻纖維的普通瀝青混合料，摻入木質(zhì)素纖維與玉米秸稈纖維后的兩類瀝青混合料，其動穩(wěn)定度均得到了顯著提升，高溫穩(wěn)定性能優(yōu)異，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范要求。其中摻木質(zhì)素纖維的瀝青混合料試件動穩(wěn)定度提高了18. 6%，摻玉米秸稈纖維的瀝青混合料試件動穩(wěn)定度提高了30.8%，表明玉米秸稈纖維對高溫穩(wěn)定性的增強效果更佳。這是因為相比于木質(zhì)素纖維，具有一定強度與韌性的玉米秸稈纖維在混合料中展現(xiàn)出了更好的橋接與加筋作用，并且可以更好地粘附于瀝青混合料之中。

2.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性能的評測采用溫度為-10℃、單點加載的小梁彎曲試驗，試驗儀器選用SANS萬能試驗機，試驗時的加載速率為50 mm/min。=類瀝青混合料的試驗結(jié)果如表7和圖2所示。

由表7和圖2可知，相比于未摻纖維試件，摻入木質(zhì)素纖維與玉米秸稈纖維后的試件，其低溫破壞應(yīng)變均得到了顯著提升，低溫抗裂性能優(yōu)異，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范要求。其中摻木質(zhì)素纖維試件的低溫破壞應(yīng)變提高了23. 6%，摻玉米秸稈纖維試件的低溫破壞應(yīng)變提高了20. 3%，表明玉米秸稈纖維對低溫穩(wěn)定性的增強效果與木質(zhì)素纖維相近。分析玉米秸稈纖維增強低溫抗裂性能的原因可知，具備較好長徑比與抗拉強度的短切玉米秸稈纖維表面粗糙，便于與瀝青粘附，并同時交錯分布在瀝青混合料中形成橋接與加筋作用，由此增強了低溫下混合料的柔韌性，具有較好的低溫抗裂性能。

2.3 水穩(wěn)定性

根據(jù)配合比設(shè)計制備三類瀝青混合料的馬歇爾試件，分別進(jìn)行凍融劈裂試驗及浸水馬歇爾試驗，試件的制備及試驗方法嚴(yán)格參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9]。試驗結(jié)果如表8及圖3所示。

由表8及圖3可知，相比于未摻纖維的試件，摻入木質(zhì)素纖維與玉米秸稈纖維后的兩類試件，其凍融劈裂強度比與殘留穩(wěn)定度均得到了顯著提升，水穩(wěn)定性能優(yōu)異，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范要求。其中摻木質(zhì)素纖維試件的凍融劈裂強度比與殘留穩(wěn)定度分別提高了4.5%、4. 8%;摻玉米秸稈纖維試件的凍融劈裂強度比與殘留穩(wěn)定度分別提高了4.1%、4. 5%。這表明玉米秸稈纖維對水穩(wěn)定性能的增強效果與木質(zhì)素纖維相近。分析玉米秸稈纖維增強水穩(wěn)定性能的原因可知：（1）玉米秸稈纖維摻入后有效地增強了瀝青的黏度，并且在混合料空間中構(gòu)筑了嚴(yán)密的加筋網(wǎng)絡(luò);（2）油石比會隨著玉米秸稈纖維的摻入而提高，由此加強礦料表面的瀝青厚度，增強了礦料與瀝青的結(jié)合力;（3）玉米秸稈纖維摻入后可有效延緩裂縫的擴(kuò)展與出現(xiàn)。因此，試驗結(jié)果及分析表明玉米秸稈纖維可對水穩(wěn)定性能的增強發(fā)揮一定作用。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某新建一級公路工程，設(shè)計為雙向四車道，具體路面結(jié)構(gòu)見圖4。選取重載交通量較大的K362+543～K362+ 743段作為試驗路段，其上面層采用玉米秸稈纖維混合料進(jìn)行路面鋪筑，施工現(xiàn)場材料選擇及配合比設(shè)計均與室內(nèi)試驗相同，玉米秸稈纖維的最佳摻量取0.3%。施工過程中對施工質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格控制，施工結(jié)束后對試驗路段進(jìn)行了相應(yīng)的驗收檢測，通車后三年內(nèi)對該路段進(jìn)行了持續(xù)的觀測。

3.2 施工要點

主要施工流程可參考規(guī)范中[8]規(guī)定的纖維改性瀝青混合料現(xiàn)場施工工藝進(jìn)行，但應(yīng)注意如下施工階段中的不同點與控制要點。

（1）玉米秸稈纖維制備

采用濕法打散工藝，玉米秸稈的破碎采用刀片式粉碎機。首先將玉米秸稈浸泡2～4 h，然后采用切割機將秸稈切成8～10 mm的碎段投入粉碎機中進(jìn)行粉碎，粉碎時間應(yīng)≤2 min。最后將粉碎后的秸稈進(jìn)行烘曬至表面干燥狀態(tài)并篩分。具體制備流程為：秸稈取芯取皮一浸泡一破碎一烘干一篩分。

（2）拌和

先投入礦料，再投入相應(yīng)摻量的玉米秸稈纖維干拌8～10 s，然后再加入瀝青濕拌45～55 s。

（3）攤鋪與壓實

相比于一般礦料纖維，玉米秸稈纖維密度較小且韌性較強，壓實時宜相應(yīng)提高壓實功以增加密實度。

（4）溫度

施工各階段的溫度控制可參考表9進(jìn)行。

3.3 現(xiàn)場性能檢測

施工現(xiàn)場在混合料出料后對其進(jìn)行隨機抽樣，制備相應(yīng)的試件進(jìn)行試驗檢測。隨機抽樣檢測結(jié)果如表10所示。

表10抽樣檢測結(jié)果表明，施工現(xiàn)場所拌混合料相關(guān)性能均優(yōu)于室內(nèi)試驗，路用性能優(yōu)異。

試驗路段K362+ 543～K362+ 743段鋪筑完成后，每隔20 m對其鉆芯取樣3個，進(jìn)行驗收檢測，結(jié)果取平均值。驗收檢測結(jié)果如表11所示。

表11表明，該試驗路段各項驗收檢測結(jié)果較好地滿足規(guī)范要求[8]，施工質(zhì)量優(yōu)異。

3.4 持續(xù)觀測與評價

該新建一級公路于201 6年2月建成并全線通車。通車三年內(nèi)，試驗路段K362+ 543～K362+ 743段作為承接城市道路的門戶，交通量大、重載交通較多、行車荷載復(fù)雜，并且三年內(nèi)該地區(qū)經(jīng)歷了較為不利的凍融循環(huán)天氣。持續(xù)觀測結(jié)果表明，該采用玉米秸稈纖維進(jìn)行瀝青路面上面層鋪筑的試驗路段，在通車三年內(nèi)路面平整度高，無車轍病害及明顯裂縫產(chǎn)生，使用性能優(yōu)異，可對其進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

（1）普通瀝青混合料在摻入0.3%玉米秸稈纖維后，其動穩(wěn)定度提高了30.8%，低溫破壞應(yīng)變提高了20.3%，凍融劈裂強度比與殘留穩(wěn)定度分別提高了4.1%、4. 5%，路用性能優(yōu)異。

（2）相比于木質(zhì)素纖維改性瀝青混合料，普通瀝青混合料在摻入0.3%玉米秸稈纖維后，其高溫穩(wěn)定性優(yōu)于前者，低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能與前者相當(dāng)。

（3）本文提出了施工現(xiàn)場玉米秸稈纖維的濕法制備工藝，主要流程為：秸稈取芯取皮一浸泡一破碎一烘干一篩分。

（4）工程應(yīng)用實例表明：采用玉米秸稈纖維進(jìn)行瀝青路面上面層鋪筑的試驗路段，在通車三年內(nèi)路面平整度高，無車轍病害及明顯裂縫產(chǎn)生，實際使用性能優(yōu)異，可對其進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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作者簡介：黃小夏（1991-）.助理工程師，研究方向：道路工程設(shè)計。