玉米秸稈纖維在多空隙瀝青混合料中的應用

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用，文章基于玉米秸稈纖維的微觀機理，參考OGFC-10和NovaChip Type-B型的級配范圍，進行玉米秸稈纖維多空隙瀝青混合料的專用級配設計，并采用謝倫堡析漏試驗、肯塔堡飛散試驗檢驗配合比設計，得出專用的設計級配，符合要求后再進行車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗以及滲水試驗，對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定性和水穩定性均得到了提高，透水性能滿足預期的要求。

【關鍵詞：】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保的角度出發，學者們開始研究將農作物秸稈和路用纖維聯系到一起，既解決了農作物被就地焚燒污染環境的問題，又解決了資源浪費的問題，還能提高瀝青混合料的路用性能。目前，對農作物秸稈纖維的研究不多，主要有玉米、西紅柿、棉、高粱等農作物秸稈纖維。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，得出農作物秸稈纖維瀝青混合料的穩定度、流值指標接近使用了木質素纖維的瀝青混合料，并且具有很好的高溫穩定性。Xue Qiang等[4]研究表明秸稈復合纖維的耐熱性、吸油性、剪切性能均優于木質素纖維。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度、動穩定度、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定性、低溫性能以及水穩定性。

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

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，接著通過機械對秸稈進行破碎，最后將秸稈進行烘干和篩分處理。

1.1 玉米秸稈的預處理

讓玉米秸稈在自然干燥狀態下進行風干，摘除葉片之后進一步將皮和芯分開，對玉米秸稈的表皮進行浸泡然后烘干，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行衡量，浸泡時間為4 h時提取率和吸油倍數達到最優[2]，所以，將玉米秸稈表皮浸泡4 h后剪成10±2 mm長度進行破碎，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理

將制取的玉米秸稈纖維在掃描電鏡下進行觀察，研究其微觀機理，分析玉米秸稈纖維對瀝青以及瀝青混合料的作用。采用飛納Phenom ProX臺式掃描電鏡，在放大2 000倍的條件下進行觀察。觀察的結果顯示：多個玉米秸稈纖維緊挨在一起，單個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徑比和比表面積都比較大，在摻加到瀝青混合料中時，能夠吸附更多的瀝青，使其更好地和瀝青結合。

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，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合在一起，使其不容易剝離，可提高吸附瀝青的強度，增加瀝青混合料的內部摩阻力。

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）工程材料技術有限公司生產的高黏度添加劑和SBS改性瀝青進行復合改性，高黏度添加劑的摻量比例為8%。具體性能指標見表1。

2.2 玉米秸稈纖維

玉米秸稈纖維的技術指標如表2所示。

2.3 礦料

本文采用的礦料均為廣西當地原材料，其中粗集料采用田東縣那練村石場生產的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配，3～5 mm輝綠巖粗集料不采用）;細集料采用田東縣那練村石場（田東縣輝綠巖礦業有限責任公司）生產的0～3 mm輝綠巖機制砂;礦粉采用上思縣萬鑫石場（防城港上思）生產的石灰巖礦粉。粗集料、細集料、礦粉技術指標均符合規范要求。

3 多空隙瀝青混合料的設計

3.1 目標空隙率的選擇

《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中規定OGFC空隙率為>18%，而NovaChip空隙率一般>10%。結合兩者的情況，本次多空隙瀝青混合料設計選擇的目標空隙率為15%。

3.2 混合料級配的設計

本次研究的玉米秸稈纖維多空隙瀝青混合料設計厚度為2 cm，在進行專用級配設計時，綜合OGFC-10、NovaChip Type-B型[7]這兩種瀝青混合料級配的優點，設計一種專用級配。現將三種級配列于表3。

在瀝青混合料配合比設計中，根據空隙率來確定級配的選取，2.36 mm篩孔通過率直接影響瀝青混合料的空隙率。按照設計的專用級配范圍，調試3種不同的混合料進行級配的選擇，分別是級配A、級配B、級配C，3種礦料級配的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，測定VV、VMA和VFA等體積指標。測試結果見表5。

由于本次配合比設計選擇的目標空隙率為15%，故選取級配B為本次目標配合比設計的混合料級配。

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規范》（JIG F40-2004）中關于SMA路面的木質素纖維摻加比例，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%的差值進行增減，設定5個不同的油石比，即5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%，并按上述條件進行成型試驗，分別對上述五組試件進行析漏、飛散試驗。試驗結果見圖1。

根據圖1的試驗結果，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、析漏試驗和飛散試驗結果如表6所示。

由表6中的試驗數據可知，不摻玉米秸稈纖維的瀝青混合料的各項指標均滿足技術要求。

（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%的差值進行增減，設定5個不同的油石比，即5.8%、6.3%、6.8%、7.3%、7.8%進行成型試驗，分別對上述五組試件進行析漏、飛散試驗。試驗結果見圖2。

根據圖2的試驗結果，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、析漏試驗和飛散試驗結果如表7所示。

由表7中的試驗數據可知，摻加0.3%玉米秸稈纖維的瀝青混合料各項指標均滿足技術要求。

4 多空隙瀝青混合料的路用性能分析

4.1 高溫穩定性試驗

對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行車轍試驗，試驗結果如表8所示。

由表8可知，在瀝青混合料滿足技術要求的前提下，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瀝青混合料的動穩定度DS提高了29.1%，說明玉米秸稈纖維使瀝青混合料的高溫穩定性能得到提高。

4.2 水穩定性試驗

對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行凍融劈裂試驗，檢測其水穩定性。試驗結果見表9。

由表9凍融劈裂試驗結果可知，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度比都達到規定要求，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，從而增強了礦料和瀝青兩者間的粘結力;同時，摻加玉米秸稈纖維增強了瀝青混合料的抗開裂能力，并在瀝青混合料內部形成三維網狀結構，類似于鋼筋一樣，和瀝青之間具有良好的粘結效果，減緩裂縫的發展。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展時的能量釋放率降低，從而減緩裂縫擴展的速率，增強了瀝青混合料的水穩定性。

4.3 透水性能檢驗

由于《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）規定的滲水系數試驗方法中，大部分是用來測定AC以及SMA的，而對于透水性瀝青混合料來說，滲水儀量筒的試驗水量只有400 mL，在空隙率較大的情況下，啟動開關時，水面從100 mL下降到500 mL時秒表計時僅有幾秒，容易產生誤差[8]。為了消除時間過短帶來的時間誤差，本次滲水系數試驗將原來的400 mL測定水量增加到800 mL，即水面從200 mL下降到1 000 mL，同時保持跟原量筒一致的水頭高度，消除水頭高度不一致對水流速度的影響，充分準確地讀取計時時間，提高滲水系數測定的準確性。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行實驗，試驗結果如表10所示。

由表10可知，所設計的玉米秸稈纖維多空隙瀝青混合料的滲水系數達到了3 911 mL/min，并且也滿足《透水瀝青路面技術規程》（CJJ/T 190-2012）中OGFC瀝青混合料（空隙率為18%～25%）的滲水系數要求（≥3 200 mL/min）。

5 結語

（1）通過玉米秸稈纖維的制備，對其進行微觀試驗觀察，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部摩阻力的同時改善了瀝青混合料的性能。

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

（3）通過車轍試驗、凍融劈裂試驗對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，試驗結果表明，摻加玉米秸稈纖維的瀝青混合料高溫穩定性和水穩定性均得到了提高。

（4）通過滲水試驗進一步檢驗所設計的玉米秸稈纖維多空隙瀝青混合料的透水性能滿足預期的要求。

參考文獻：

[1]李巍巍.棉秸稈纖維瀝青混合料路用性能研究[D].西安：長安大學，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理分析[J].中國公路學報，2019，32（2）：47-58.

[3]段紹帆，蒙嘉璐，白 洋，等.農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防性養護中的應用研究[D].廣州：華南理工大學，2016.

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