蔗渣纖維硅藻土復合改性瀝青指標研究

劉衛東，韋港榮，李瑞嬌

(1.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西北部灣投資集團有限公司欽北高速公路改擴建工程建設指揮部，廣西 北海 536000)

0 引言

SMA(瀝青馬蹄脂碎石混合料)作為一種新型間斷密實級配混合料，具有優越的高溫抗車轍、低溫抗裂以及水穩定性等路用性能，在瀝青路面中得以廣泛應用。目前，木質素纖維作為SMA的重要組成材料之一，其原材料主要依賴針葉木、闊葉木等森林資源，給生態環境保護帶來巨大的壓力，因此，亟須尋求新的木質素纖維原材料，助推公路交通基礎設施的可持續發展。廣西是國內最大的甘蔗種植基地，甘蔗制糖量占全國的60%。甘蔗渣是制糖的尾料，是一種可再生、廉價的植物纖維原料，其主要成分為纖維素(32%～48%)、半纖維素(19%～24%)以及木質素(23%～32%)[1]。回收利用蔗渣制備瀝青路用纖維，具有纖維產出率高、制備工藝簡單、生產成本低的優點，能提升蔗渣的附加值，減少瀝青路面工程對木質素纖維的依賴和木材的消耗，為環保化利用蔗渣開辟了新途徑。

通過對甘蔗渣進行浸泡、機械粉碎、篩分、表面改性以及干燥等處理，從而獲得蔗渣纖維，將其替代傳統的木質素纖維應用于瀝青路面是農作物廢棄物資源化利用在道路工程方向的研究熱點。Li等[2]利用SEM掃描電鏡、FTIR紅外光譜、X射線等分析蔗渣纖維的微細觀特征，并比較了摻入蔗渣纖維和木質素纖維的AC-13和SMA-13的路用性能，研究表明：兩種纖維的瀝青混合料路用性能相當，蔗渣纖維可替代木質素纖維。纖維瀝青混合料作為瀝青路面的上面層易受雨水以及酸性液體的腐蝕，呂鵬等[3-4]通過在室內模擬酸雨環境對蔗渣纖維瀝青混合料的影響，結果顯示：合理的蔗渣纖維摻量可改善混合料的抗腐蝕性。覃峰等[5]利用一系列抗腐蝕試驗表明蔗渣纖維可作為SMA的纖維穩定劑。何壯彬[6]、陳開群等[7]通過復雜環境下的穩定試驗和對比蔗渣纖維與傳統木質素纖維的路用性能，進一步證實蔗渣纖維可顯著改善混合料的力學性能。

目前，有關蔗渣纖維的研究主要針對蔗渣纖維瀝青混合料的路用性能，關于木質素纖維和硅藻土改性瀝青技術指標也有相關報道[8]，但是針對蔗渣纖維和硅藻土復合改性瀝青三大指標的研究較少。本文通過正交試驗分析蔗渣纖維摻量、硅藻土摻量和剪切時間等因素在不同水平下對瀝青針入度、軟化點和延度的影響，旨在為蔗渣纖維的規模化應用提供指導。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

根據廣西地區的氣候特征，選用常用的70#基質瀝青作為改性對象，其技術指標滿足規范要求，如表1所示。采用白色粉末的化學純硅藻土，其主要技術參數如表2所示。甘蔗渣來源于廣西南寧市某糖廠。甘蔗纖維的制備主要流程如下：(1)去除甘蔗渣中的雜質，將蔗渣和水混合，浸泡足夠長的時間使得蔗渣軟化；(2)采用物理機械方法制備纖維，選用轉速合適的粉碎機，將浸泡充分的蔗渣和水混合物劈分一定時間(具體劈分時間與蔗渣原料的粗細、機械刀片類型、機械轉速以及蔗渣加入量有關)；(3)將劈分后的蔗渣干燥、篩分以及進行適當的表面改性后即可獲得試驗用的蔗渣纖維。

表1 瀝青技術指標表

表2 硅藻土技術指標表

在蔗渣纖維制備過程中加入了水，進行干燥處理后，蔗渣纖維易結團，而結團的蔗渣纖維直接影響其在瀝青的均勻性，因此，結團的蔗渣纖維宜進行分散處理。如表3所示為蔗渣纖維的技術指標。由于該研究的蔗渣纖維未添加無機結合料提高其灰分含量，純植物蔗渣纖維的灰分含量較低，與現行規范有一定的差異。然而，硅藻土在高溫條件下，其質量損失較小，因此蔗渣纖維和硅藻土的混合可在一定程度上提升灰分含量。

表3 蔗渣纖維技術指標表

1.2 試驗方案

蔗渣纖維和硅藻土都屬于道路工程的增強材料，合適的蔗渣纖維和硅藻土含量均可提高瀝青的技術指標。蔗渣纖維和硅藻土一并加入瀝青中時，攪拌設備的剪切時間對瀝青的改性效果有一定的影響。一般而言，剪切時間較短的蔗渣纖維和硅藻土在瀝青中的分散均勻性差，對瀝青性能指標影響較大，而攪拌時間過長的試驗則消耗人力和物力。因此，采用該方案開展正交試驗的主要因素為：蔗渣纖維摻量、硅藻土摻量和剪切時間。根據已有研究成果[4-8]，試驗方案各因素水平為：蔗渣纖維摻量分別為0.2%、0.3%和0.4%(以瀝青質量計)；硅藻土摻量分別為6%、8%和10%(以瀝青質量計)；剪切時間分別為20 min、40 min和60 min。根據JTG E20-2011[9]和正交試驗表L9(34)，測試蔗渣纖維和硅藻土復合改性瀝青針入度、軟化點和延度等技術指標的效果。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗最優方案

軟化點與瀝青高溫穩定性有關系，一般軟化點高，有利其高溫性能；延度與瀝青的抗塑性變形能力有關，延度大，其塑性變形能力強；針入度是瀝青分級的關鍵指標。如表4所示為蔗渣纖維硅藻土復合改性瀝青三大指標試驗結果，從表4可以看出：當蔗渣纖維摻量為0.4%、硅藻土摻量為6%以及剪切時間為40 min時，復合改性瀝青的性能是最佳的，即蔗渣纖維硅藻土復合改性降低了瀝青的延度和針入度，改善了瀝青軟化點，該研究結果與文獻[8]中木質素纖維復合硅藻土改性瀝青技術指標趨勢一致。

表4 蔗渣纖維硅藻土復合改性瀝青正交試驗結果表

2.2 因素對指標的影響

為了進一步分析三因素對瀝青各指標的影響，需根據表5計算三個影響因素對各指標的極差。如表5所示，影響針入度的因素排序為：蔗渣纖維摻量>硅藻土摻量>剪切時間。蔗渣纖維為線形顆粒，硅藻土為球形顆粒，蔗渣纖維摻量大意味著更多的蔗渣纖維交錯分布在瀝青中，由于纖維的加筋、橋接作用使得瀝青的針入度變大。影響延度的因素排序為：硅藻土摻量>剪切時間>蔗渣纖維摻量。蔗渣纖維、硅藻土摻入至瀝青中，由于蔗渣纖維和硅藻土的尺度遠大于瀝青各組分尺度，瀝青與硅藻土、蔗渣纖維存在非連續的過度界面，影響了瀝青均勻體系，導致改性后的延度顯著降低；而顆粒狀硅藻土無蔗渣纖維的加筋作用，剪切時間長短極大影響摻合物在瀝青的分布特性，因此硅藻土摻量和剪切時間對延度的影響大于蔗渣纖維摻量。影響軟化點的因素排序為：硅藻土摻量>剪切時間>蔗渣纖維摻量。硅藻土表面存在大量的微孔道，這些微孔道可吸附瀝青組分，同時由于蔗渣纖維的吸油效果，使得瀝青-硅藻土-蔗渣纖維產生一定的“錨固”作用，然而蔗渣纖維與硅藻土存在微空隙，合理的剪切時間可以消除或減弱微空隙對改性后瀝青性能的影響。

表5 復合改性瀝青指標極差分析表

2.3 因素影響指標趨勢圖

如圖1(a)所示，當蔗渣纖維摻量為0.3%時，針入度降低值最小；當硅藻土摻量為6%時，針入度下降最不顯著；而隨著剪切時間的延長，針入度降低值卻增加。由此說明，單獨分析各因素水平下針入度的變化趨勢，難以合理解釋蔗渣纖維硅藻土復合改性瀝青的針入度指標。如圖1(b)所示，隨著蔗渣纖維摻量的增加、剪切時間的延長，改性后瀝青的延度增加；而隨著硅藻土的摻量增加，其延度卻不斷降低。產生該趨勢的原因為：摻合物雖然影響了瀝青的連續體系，但是纖維在吸收瀝青后，纖維之間相互橋接，合理的纖維含量、長時間的剪切可保證摻合物有利于減小延度的降低值；硅藻土無加筋作用，故摻量越高，瀝青的延度值降低幅度越大。如圖1(c)所示，蔗渣纖維摻量和剪切時間存在一個合理值，并非摻量大、剪切時間長就能顯著改善瀝青的軟化點；硅藻土摻量為6%時，軟化點提升效果最佳，隨著其摻量的增加，軟化點不斷降低。

(a)針入度

(b)延度

(c)軟化點

3 結語

(1)當0.4%蔗渣纖維與6%硅藻土復合剪切時間為40 min時，可提高瀝青的軟化點，針入度和延度降低程度最小，對瀝青的改性效果最佳。

(2)蔗渣纖維摻量、硅藻土摻量以及剪切時間對瀝青指標影響程度不同，其中蔗渣纖維摻量對針入度影響最大，硅藻土摻量對延度和軟化點影響最顯著。

(3)蔗渣纖維摻量、硅藻土摻量以及剪切時間對瀝青的針入度、延度和軟化點影響較為復雜，非簡單的函數關系。