玉米秸稈纖維在多空隙瀝青混合料中的應(yīng)用

梁若翔 孟勇軍

【摘要：】為研究玉米秸稈纖維在多空隙瀝青混合料中的應(yīng)用，文章基于玉米秸稈纖維的微觀機(jī)理，參考OGFC-10和NovaChip Type-B型的級(jí)配范圍，進(jìn)行玉米秸稈纖維多空隙瀝青混合料的專用級(jí)配設(shè)計(jì)，并采用謝倫堡析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)檢驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，得出專用的設(shè)計(jì)級(jí)配，符合要求后再進(jìn)行車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)以及滲水試驗(yàn)，對(duì)比分析摻加玉米秸稈纖維的瀝青混合料和不摻加玉米秸稈纖維的瀝青混合料的路用性能。結(jié)果表明：摻加0.3%玉米秸稈纖維的多空隙瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均得到了提高，透水性能滿足預(yù)期的要求。

【關(guān)鍵詞：】玉米秸稈纖維;多空隙瀝青混合料;微觀研究;路用性能

U416.03A030074

0 引言

近幾年，從廢物利用和綠色環(huán)保的角度出發(fā)，學(xué)者們開始研究將農(nóng)作物秸稈和路用纖維聯(lián)系到一起，既解決了農(nóng)作物被就地焚燒污染環(huán)境的問題，又解決了資源浪費(fèi)的問題，還能提高瀝青混合料的路用性能。目前，對(duì)農(nóng)作物秸稈纖維的研究不多，主要有玉米、西紅柿、棉、高粱等農(nóng)作物秸稈纖維。李巍巍[1]研究表明棉秸稈纖維可以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫開裂性。李振霞等[2]研究表明添加玉米秸稈纖維的瀝青混合料高低溫性能、黏度、水穩(wěn)定性都得到提高。段紹帆等[3]制取了高粱秸稈纖維和西紅柿秸稈纖維，得出農(nóng)作物秸稈纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度、流值指標(biāo)接近使用了木質(zhì)素纖維的瀝青混合料，并且具有很好的高溫穩(wěn)定性。Xue Qiang等[4]研究表明秸稈復(fù)合纖維的耐熱性、吸油性、剪切性能均優(yōu)于木質(zhì)素纖維。Ji Ming Yin等[5]研究得出稻草秸稈纖維提高了瀝青混合料的抗折強(qiáng)度、動(dòng)穩(wěn)定度、抗車轍性能。Jingyi Liu等[6]研究了棉秸稈纖維瀝青混合料的性能，表明棉秸稈纖維改善了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫性能以及水穩(wěn)定性。

農(nóng)作物秸稈纖維作為一種天然的植物纖維，含有大量木質(zhì)纖維素，是天然的植物纖維，既能夠再生，又能夠降解。目前對(duì)于秸稈纖維的研究和應(yīng)用主要集中在密實(shí)型瀝青混合料（AC、SMA），而在多空隙瀝青混合料中的研究還很少。為此，本文通過對(duì)農(nóng)作物秸稈進(jìn)行加工，制備秸稈纖維材料，分析其宏觀和微觀機(jī)理，研究其在多空隙瀝青混合料應(yīng)用中的可行性。

1 玉米秸稈纖維的制備及微觀研究

本次研究的秸稈纖維為玉米秸稈纖維。從玉米秸稈中提取纖維采用機(jī)械破碎法，其基本制備工藝流程為：將玉米秸稈表皮和桿芯剝離，然后將秸稈的表皮放入水中浸泡至充分飽滿，接著通過機(jī)械對(duì)秸稈進(jìn)行破碎，最后將秸稈進(jìn)行烘干和篩分處理。

1.1 玉米秸稈的預(yù)處理

讓玉米秸稈在自然干燥狀態(tài)下進(jìn)行風(fēng)干，摘除葉片之后進(jìn)一步將皮和芯分開，對(duì)玉米秸稈的表皮進(jìn)行浸泡然后烘干，將其作為玉米秸稈纖維的原材料。

1.2 玉米秸稈纖維的制取

由于玉米秸稈纖維的制取不以吸水率來進(jìn)行衡量，浸泡時(shí)間為4 h時(shí)提取率和吸油倍數(shù)達(dá)到最優(yōu)[2]，所以，將玉米秸稈表皮浸泡4 h后剪成10±2 mm長(zhǎng)度進(jìn)行破碎，然后烘干制備成所需要的玉米秸稈纖維。

1.3 玉米秸稈纖維的微觀機(jī)理

將制取的玉米秸稈纖維在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，研究其微觀機(jī)理，分析玉米秸稈纖維對(duì)瀝青以及瀝青混合料的作用。采用飛納Phenom ProX臺(tái)式掃描電鏡，在放大2 000倍的條件下進(jìn)行觀察。觀察的結(jié)果顯示：多個(gè)玉米秸稈纖維緊挨在一起，單個(gè)玉米秸稈纖維的直徑非常小，約為40 μm左右，所以玉米秸稈纖維的長(zhǎng)徑比和比表面積都比較大，在摻加到瀝青混合料中時(shí)，能夠吸附更多的瀝青，使其更好地和瀝青結(jié)合。

玉米秸稈纖維表面凹凸不平，粗糙度大，局部有裂紋和倒刺，在和瀝青接觸時(shí)，玉米秸稈纖維凹凸的地方類似于齒輪咬合一樣緊緊地和瀝青結(jié)合在一起，使其不容易剝離，可提高吸附瀝青的強(qiáng)度，增加瀝青混合料的內(nèi)部摩阻力。

2 原材料要求

2.1 高黏改性瀝青

多空隙瀝青混合料要求采用高黏改性瀝青。本文采用中路交建（北京）工程材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高黏度添加劑和SBS改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，高黏度添加劑的摻量比例為8%。具體性能指標(biāo)見表1。

2.2 玉米秸稈纖維

玉米秸稈纖維的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

2.3 礦料

本文采用的礦料均為廣西當(dāng)?shù)卦牧希渲写旨喜捎锰飽|縣那練村石場(chǎng)生產(chǎn)的5～10 mm輝綠巖粗集料（由于多空隙瀝青混合料采用的是間斷級(jí)配，3～5 mm輝綠巖粗集料不采用）;細(xì)集料采用田東縣那練村石場(chǎng)（田東縣輝綠巖礦業(yè)有限責(zé)任公司）生產(chǎn)的0～3 mm輝綠巖機(jī)制砂;礦粉采用上思縣萬鑫石場(chǎng)（防城港上思）生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉。粗集料、細(xì)集料、礦粉技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

3 多空隙瀝青混合料的設(shè)計(jì)

3.1 目標(biāo)空隙率的選擇

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中規(guī)定OGFC空隙率為>18%，而NovaChip空隙率一般>10%。結(jié)合兩者的情況，本次多空隙瀝青混合料設(shè)計(jì)選擇的目標(biāo)空隙率為15%。

3.2 混合料級(jí)配的設(shè)計(jì)

本次研究的玉米秸稈纖維多空隙瀝青混合料設(shè)計(jì)厚度為2 cm，在進(jìn)行專用級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，綜合OGFC-10、NovaChip Type-B型[7]這兩種瀝青混合料級(jí)配的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種專用級(jí)配。現(xiàn)將三種級(jí)配列于表3。

在瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中，根據(jù)空隙率來確定級(jí)配的選取，2.36 mm篩孔通過率直接影響瀝青混合料的空隙率。按照設(shè)計(jì)的專用級(jí)配范圍，調(diào)試3種不同的混合料進(jìn)行級(jí)配的選擇，分別是級(jí)配A、級(jí)配B、級(jí)配C，3種礦料級(jí)配的2.36 mm通過率分別為22.0%、19.5%以及17.8%。具體如表4所示。DDB5BFBB-AB41-4D68-91F7-85CE8967C92B

按油石比6.5%制作馬歇爾試件，測(cè)定VV、VMA和VFA等體積指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果見表5。

由于本次配合比設(shè)計(jì)選擇的目標(biāo)空隙率為15%，故選取級(jí)配B為本次目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)的混合料級(jí)配。

3.3 最佳油石比的確定

玉米秸稈纖維的摻加比例參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JIG F40-2004）中關(guān)于SMA路面的木質(zhì)素纖維摻加比例，即0.3%。

（1）纖維摻量為0的瀝青混合料最佳油石比的確定

按照0.5%的差值進(jìn)行增減，設(shè)定5個(gè)不同的油石比，即5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%，并按上述條件進(jìn)行成型試驗(yàn)，分別對(duì)上述五組試件進(jìn)行析漏、飛散試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

根據(jù)圖1的試驗(yàn)結(jié)果，選擇不摻玉米秸稈纖維的瀝青混合料的最佳油石比為6.5%。在最佳油石比為6.5%的條件下，不摻玉米秸稈纖維的瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)、析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，不摻玉米秸稈纖維的瀝青混合料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

（2）纖維摻量為0.3%的秸稈纖維瀝青混合料最佳油石比的確定

同樣按照0.5%的差值進(jìn)行增減，設(shè)定5個(gè)不同的油石比，即5.8%、6.3%、6.8%、7.3%、7.8%進(jìn)行成型試驗(yàn)，分別對(duì)上述五組試件進(jìn)行析漏、飛散試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

根據(jù)圖2的試驗(yàn)結(jié)果，選擇玉米秸稈纖維摻量為0.3%的秸稈纖維瀝青混合料的最佳油石比為6.8%。在最佳油石比為6.8%的條件下，摻加0.3%玉米秸稈纖維的瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)、析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由表7中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，摻加0.3%玉米秸稈纖維的瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

4 多空隙瀝青混合料的路用性能分析

4.1 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)摻加玉米秸稈纖維和不摻加玉米秸稈纖維的瀝青混合料分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

由表8可知，在瀝青混合料滿足技術(shù)要求的前提下，玉米秸稈纖維摻量為0.3%的秸稈纖維瀝青混合料比不摻加玉米秸稈纖維的常規(guī)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度DS提高了29.1%，說明玉米秸稈纖維使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能得到提高。

4.2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)摻加玉米秸稈纖維和不摻加玉米秸稈纖維的瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，檢測(cè)其水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果見表9。

由表9凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加玉米秸稈纖維和不摻加玉米秸稈纖維的瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比都達(dá)到規(guī)定要求，但是摻加玉米秸稈纖維后的瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比明顯提高。其主要原因是摻加玉米秸稈纖維后，提高了瀝青混合料的油石比，從而增強(qiáng)了礦料和瀝青兩者間的粘結(jié)力;同時(shí)，摻加玉米秸稈纖維增強(qiáng)了瀝青混合料的抗開裂能力，并在瀝青混合料內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，類似于鋼筋一樣，和瀝青之間具有良好的粘結(jié)效果，減緩裂縫的發(fā)展。由于玉米秸稈纖維參與瀝青混合料的抗裂，讓瀝青混合料裂紋擴(kuò)展時(shí)的能量釋放率降低，從而減緩裂縫擴(kuò)展的速率，增強(qiáng)了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

4.3 透水性能檢驗(yàn)

由于《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)定的滲水系數(shù)試驗(yàn)方法中，大部分是用來測(cè)定AC以及SMA的，而對(duì)于透水性瀝青混合料來說，滲水儀量筒的試驗(yàn)水量只有400 mL，在空隙率較大的情況下，啟動(dòng)開關(guān)時(shí)，水面從100 mL下降到500 mL時(shí)秒表計(jì)時(shí)僅有幾秒，容易產(chǎn)生誤差[8]。為了消除時(shí)間過短帶來的時(shí)間誤差，本次滲水系數(shù)試驗(yàn)將原來的400 mL測(cè)定水量增加到800 mL，即水面從200 mL下降到1 000 mL，同時(shí)保持跟原量筒一致的水頭高度，消除水頭高度不一致對(duì)水流速度的影響，充分準(zhǔn)確地讀取計(jì)時(shí)時(shí)間，提高滲水系數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確性。改造后的滲水儀剖面圖如圖3所示。

使用改造后的滲水儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10可知，所設(shè)計(jì)的玉米秸稈纖維多空隙瀝青混合料的滲水系數(shù)達(dá)到了3 911 mL/min，并且也滿足《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 190-2012）中OGFC瀝青混合料（空隙率為18%～25%）的滲水系數(shù)要求（≥3 200 mL/min）。

5 結(jié)語

（1）通過玉米秸稈纖維的制備，對(duì)其進(jìn)行微觀試驗(yàn)觀察，顯示玉米秸稈纖維的表面粗糙度大，并且凹凸不平，能夠吸附更多的瀝青，在增大瀝青混合料的內(nèi)部摩阻力的同時(shí)改善了瀝青混合料的性能。

（2）通過設(shè)計(jì)方法的確定、原材料的選擇，確定本次的目標(biāo)空隙率為15%，然后參考OGFC-10和NovaChip Type-B型的級(jí)配范圍，進(jìn)行玉米秸稈纖維多空隙瀝青混合料的專用級(jí)配設(shè)計(jì)，采用謝倫堡析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)檢驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，得出專用設(shè)計(jì)的級(jí)配符合要求。

（3）通過車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)比分析摻加玉米秸稈纖維的瀝青混合料和不摻加纖維的瀝青混合料的路用性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加玉米秸稈纖維的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均得到了提高。

（4）通過滲水試驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的玉米秸稈纖維多空隙瀝青混合料的透水性能滿足預(yù)期的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李巍巍.棉秸稈纖維瀝青混合料路用性能研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[2]李振霞，陳淵召，周建彬，等.玉米秸稈纖維瀝青混合料路用性能及機(jī)理分析[J].中國公路學(xué)報(bào)，2019，32（2）：47-58.

[3]段紹帆，蒙嘉璐，白 洋，等.農(nóng)作物秸稈用于制取路用纖維的探索[J].山東化工，2020，49（16）：5-7，10.

[4]Xue Qiang，Liu Lei，Chen Yi-jun.Study on the action effect of pavement straw composite fiber material in asphalt mixture，2013（43）：293-299.

[5]Ji Ming Yin，Sheng Yue Wang，Yin Fei Du.Intensifying the Road Performance of Asphalt Concrete by Matching the Size Distribution of Short-Thin Straw Pieces and Aggregate Framework[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2014（27）：176-184.

[6]Jingyi Liu，Zuzhong Li，Huaxin Chen，et al.Investigation of Cotton Straw Fibers for Asphalt Mixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2020，32（5）：1-9.

[7]宋 陽.Novachip超薄磨耗層在高速公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2016.

[8]徐陸軍.透水瀝青混合料滲水性能的試驗(yàn)研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2018.DDB5BFBB-AB41-4D68-91F7-85CE8967C92B