秸稈纖維改性瀝青混合料的試驗及應用研究

摘要：文章對比木質素纖維改性效果，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性能進行了研究，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用效果進行了評價。室內試驗表明：普通瀝青混合料在摻入0. 3%玉米秸稈纖維后，其動穩定度提高了30. 8%，低溫破壞應變提高了20.3%，凍融劈裂強度比與殘留穩定度分別提高了4.1%、4. 5%，路用性能優異;相比于木質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，其高溫穩定性優于前者，低溫抗裂性與水穩定性能與前者相當。工程應用實例表明：采用玉米秸稈纖維進行瀝青路面上面層鋪筑的試驗路段，在通車三年內路面平整度高，無車轍病害及明顯裂縫產生，實際使用性能優異，可對其進行推廣應用。

關鍵詞：玉米秸稈纖維;木質素纖維;改性瀝青混合料;路用性能;室內試驗

中圖分類號：U416. 03文獻標識碼：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、聚酯纖維及木質素等纖維可有效改善瀝青路面的高低溫穩定性，大大增加了瀝青路面的應用范圍，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，相當一部分秸稈仍在進行焚燒處理，既造成了資源浪費又污染了環境。由于玉米秸稈中具有一定的天然木質纖維素，考慮到目前木質素纖維在瀝青路面中的應用可行性，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。目前國內外已對類似的“生物纖維”進行了相關研究。Ochepo[5]研究發現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性能進行了研究，鋪筑試驗路段對玉米秸稈纖維改性瀝青混合料的實際應用效果進行了評價。

1 室內試驗

1.1試驗材料

（l）玉米秸稈纖維：室內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。室內制備的玉米秸稈纖維相關技術指標如表1所示。

（2）木質素纖維：試驗所用纖維為重慶廣為道路材料有限公司生產，其相關技術指標見表1。

（3）瀝青：試驗選用SBS（I -C）改性瀝青，主要性能指標參照相關技術標準[8]檢測，如表2所示。

（4）集料：碎石集料選用玄武巖，礦粉為石灰巖粉末。相關性能檢測結果如表3所示。

1.2 配合比設計

（1）礦料級配

選用AC-1 3型級配類型，設計時的目標級配以相關規范[8]中所規定的級配中值為標準，合成級配設計如表4所示。

（2）配合比設計

參照相關規范標準[8]，采用馬歇爾試驗進行配合比設計。試驗結果如表5所示。

1.3 試驗方案

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

2 室內試驗結果分析

2.1 高溫穩定性

高溫穩定性通過車轍試驗進行評測，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定性能試驗檢測結果均滿足規范要求。相比于未摻纖維的普通瀝青混合料，摻入木質素纖維與玉米秸稈纖維后的兩類瀝青混合料，其動穩定度均得到了顯著提升，高溫穩定性能優異，遠遠滿足規范要求。其中摻木質素纖維的瀝青混合料試件動穩定度提高了18. 6%，摻玉米秸稈纖維的瀝青混合料試件動穩定度提高了30.8%，表明玉米秸稈纖維對高溫穩定性的增強效果更佳。這是因為相比于木質素纖維，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，摻入木質素纖維與玉米秸稈纖維后的試件，其低溫破壞應變均得到了顯著提升，低溫抗裂性能優異，遠遠滿足規范要求。其中摻木質素纖維試件的低溫破壞應變提高了23. 6%，摻玉米秸稈纖維試件的低溫破壞應變提高了20. 3%，表明玉米秸稈纖維對低溫穩定性的增強效果與木質素纖維相近。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 水穩定性

根據配合比設計制備三類瀝青混合料的馬歇爾試件，分別進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格參照相關規范標準[9]。試驗結果如表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定度均得到了顯著提升，水穩定性能優異，遠遠滿足規范要求。其中摻木質素纖維試件的凍融劈裂強度比與殘留穩定度分別提高了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定度分別提高了4.1%、4. 5%。這表明玉米秸稈纖維對水穩定性能的增強效果與木質素纖維相近。分析玉米秸稈纖維增強水穩定性能的原因可知：（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筑了嚴密的加筋網絡;（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合力;（3）玉米秸稈纖維摻入后可有效延緩裂縫的擴展與出現。因此，試驗結果及分析表明玉米秸稈纖維可對水穩定性能的增強發揮一定作用。

3 工程應用

3.1 工程概況

某新建一級公路工程，設計為雙向四車道，具體路面結構見圖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行路面鋪筑，施工現場材料選擇及配合比設計均與室內試驗相同，玉米秸稈纖維的最佳摻量取0.3%。施工過程中對施工質量進行了嚴格控制，施工結束后對試驗路段進行了相應的驗收檢測，通車后三年內對該路段進行了持續的觀測。

3.2 施工要點

主要施工流程可參考規范中[8]規定的纖維改性瀝青混合料現場施工工藝進行，但應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行粉碎，粉碎時間應≤2 min。最后將粉碎后的秸稈進行烘曬至表面干燥狀態并篩分。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進行。

3.3 現場性能檢測

施工現場在混合料出料后對其進行隨機抽樣，制備相應的試件進行試驗檢測。隨機抽樣檢測結果如表10所示。

表10抽樣檢測結果表明，施工現場所拌混合料相關性能均優于室內試驗，路用性能優異。

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，進行驗收檢測，結果取平均值。驗收檢測結果如表11所示。

表11表明，該試驗路段各項驗收檢測結果較好地滿足規范要求[8]，施工質量優異。

3.4 持續觀測與評價

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，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、行車荷載復雜，并且三年內該地區經歷了較為不利的凍融循環天氣。持續觀測結果表明，該采用玉米秸稈纖維進行瀝青路面上面層鋪筑的試驗路段，在通車三年內路面平整度高，無車轍病害及明顯裂縫產生，使用性能優異，可對其進行推廣應用。

4 結語

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

（2）相比于木質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，其高溫穩定性優于前者，低溫抗裂性和水穩定性能與前者相當。

（3）本文提出了施工現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）工程應用實例表明：采用玉米秸稈纖維進行瀝青路面上面層鋪筑的試驗路段，在通車三年內路面平整度高，無車轍病害及明顯裂縫產生，實際使用性能優異，可對其進行推廣應用。

參考文獻

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[9]JTG E20 - 2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程 [S].

作者簡介：黃小夏（1991-）.助理工程師，研究方向：道路工程設計。