蔗渣與椰糠作為瀝青混合料填料適用性研究

秦 華,時蘭鶴，趙文明

(1.鄭州路橋建設投資集團有限公司，河南 鄭州 450000；2.鄭州市公路事業發展中心，河南 鄭州 450000；3.鄭州市交通規劃勘察設計研究院，河南 鄭州 450000)

由于瀝青路面較水泥混凝土路面具有較大的建養優勢，故在我國大部分高等級公路建設中得到廣泛的應用。根據三級膠漿理論，瀝青膠漿是以填料為分散相而分散在高稠度瀝青介質中的一種微分散系，填料的性能對瀝青膠漿及瀝青混合料具有重要影響。現階段，國內在制備瀝青混合料方面仍主要采用傳統的石灰巖、礦粉等填料，而許多工業都采用了廢棄的天然材料，如各類秸稈、蔗渣、椰糠等，其中也有部分研究者將其運用于瀝青改性方面，并研究了其對瀝青、瀝青混合料的相關影響。考慮到大部分研究僅將其作為改性劑使用，摻量較小，如若能將其替換傳統礦粉填料，將可極大提高其利用率，并可有效降低植物廢料對環境的污染。

本文以常見的蔗渣與椰糠為研究材料，探討其作為瀝青混合料填料的適用性。首先對其微觀形貌與物理指標進行分析，然后研究蔗渣與椰糠作為填料對瀝青膠漿黏度的影響，最后探討其對馬歇爾穩定度、水穩定性等路用性能的影響，以期為蔗渣、椰糠的廢料利用和瀝青混合料的填料選取提供參考。

1 原材料與試驗設計

1.1 填料

選取2種礦物巖石研磨加工而成的填料：石灰巖填料、花崗巖填料；2種廢棄植物填料：蔗渣、椰糠(見圖1)。其中，蔗渣與椰糠填料采用研磨機進行加工，篩分后獲得0.075 mm以下部分作為填料使用。4種填料密度測試結果如表1所示。

(a) 蔗渣

表1 不同類型填料密度Tab.1 Densities of different types

由表1可知，蔗渣和椰糠的密度分別為0.38、0.29 g/cm，遠低于石灰巖和花崗巖的密度分別為2.62、2.58 g/cm；廢棄植物填料的密度約為礦質填料的1/7～1/10。

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對4種填料進行微觀結構觀察，測試結果如圖2所示。

(a)石灰巖填料

從圖2可以看出，椰糠和蔗渣填料顆粒的微觀表面紋理相似，均呈片狀；而石灰石和花崗巖填料顆粒的微觀表面紋理較為粗糙。椰糠、蔗渣和石灰石填料的形狀比花崗巖填料的棱角性更明顯，黃崗巖顆粒整體較為圓滑。根據SEM比表面積測試結果(見表2)，石灰石、蔗渣和椰糠3種填料的的比表面積大小相近，且比花崗巖比表面積大50%以上。

表2 通過掃描電鏡成像估算表面積Tab.2 The surface area estimated by SEM imaging

1.2 瀝青混合料

瀝青采用70#基質瀝青，相關試驗指標如表3所示。混合料類型采用傳統的AC-13混合料。

表3 70#基質瀝青主要技術指標Tab.3 Main technical indicators of matrix asphalt 70#

一般地，瀝青混合料粉膠比(填料與瀝青含量之比)宜控制在0.6～1.6。該比值可按等體積法進行換算，根據常用礦粉與瀝青密度相關關系，換算后填料體積與瀝青體積之比約為20%～60%。由于蔗渣與椰糠填料密度較低，若按質量法粉膠比進行控制，會造成填料摻量過大。因此后續研究中采用等體積法進行計算，即采用等體積植物纖維填料替代等體積礦質填料的計算方法。

1.3 瀝青與瀝青混合料試驗

為研究填料對瀝青黏度特性影響，初選占瀝青體積比20%與40%蔗渣與椰糠填料進行表觀黏度試驗，每個試樣進行3次平行試驗。采用布洛克費爾德黏度計(RV)進行表觀黏度測試，試樣質量為(10±0.5)g，扭矩保持在(100±3)%。為研究轉速對瀝青黏度的影響，采用不同試驗轉速進行分析：20、40、60、80、100、150、200 r/min。

瀝青膠漿制備過程為：①加熱瀝青至160 ℃左右備用；②加入設計比例蔗渣或椰糠填料，在轉速為1 000 r/min高速剪切機中攪拌1 h。初步探索性試驗顯示，當蔗渣與椰糠體積摻量為40%時，摻量過大，剪切較為困難，填料難以融入瀝青，故后續不進行該摻量相關試驗。

1.4 蔗渣和椰糠填料瀝青混合料性能評價

為控制其他參數對瀝青混合料性能影響，通過基質瀝青確定最佳油石比，其余各填料采用與其一致的油石比進行瀝青混合制備，油石比為5.0%。但考慮填料對膠漿黏度的影響，試驗采用不同的拌和與擊實溫度，確定了瀝青混合料試件制備溫度組合。

(1)條件1(不考慮膠漿黏度)：拌和溫度為(155±3)℃；擊實溫度為(142.5±2.5)℃；

(2)條件2(考慮膠漿黏度)：拌和溫度為黏度在(0.17±0.02)Pa·s 時對應溫度；擊實溫度為黏度在(0.28±0.03)Pa·s 時對應溫度。

試驗根據《瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E 20—2011)進行瀝青混合料穩定度試驗、凍融劈裂試驗、高溫車轍試驗以及低溫小梁彎曲試驗。

2 蔗渣與椰糠對瀝青膠漿黏度影響

根據三級膠漿理論，瀝青膠漿作為瀝青混合料重要組成成分，對混合料性能具有決定性影響。其中，黏度作為瀝青膠漿重要指標，對瀝青混合料力學性能及施工和易性起著重要作用。為確定合適的廢棄作物填料替代摻量，采用黏度法對瀝青膠漿進行研究。為驗證低摻量瀝青膠漿在高溫條件下是否為牛頓流體，對不同剪切速率下的膠漿黏度進行了測試。圖3為不同填料瀝青膠漿在150、170 ℃ 2個溫度條件下黏度試驗結果，其中圖3為瀝青膠漿黏度與剪切速率之間關系。

圖3 不同填料膠漿黏度與剪切速的關系Fig.3 Relationship between viscosity and shear speed of different packing slurry

由圖3可以看出，低填料摻量(20%)下，瀝青膠漿在溫度150～170 ℃內呈現牛頓流體特性。在同一溫度條件下，隨剪切速率變化，瀝青膠漿幾乎為一定值，呈現典型牛頓流體力學特性。這是由于隨著溫度升高，瀝青由粘彈性體向牛頓流體轉變，其當填料摻量較低時，并為改變其牛頓流體特性。同時，可推測當溫度超過170 ℃時，低填料摻量(20%)瀝青膠漿仍可呈現牛頓流體特性。

對基質瀝青、20%摻量條件的4種瀝青膠漿進行黏度測試，剪切速率取20 r/min、溫度為150～180 ℃條件測試結果如圖4所示。

圖4 不同溫度下瀝青及瀝青膠漿黏度Fig.4 Bitumen and asphalt glut viscosity at different temperatures

(1)摻加填料后瀝青膠漿黏度增加。在半對數坐標中，瀝青或瀝青膠漿黏度對數與溫度呈線性關系，比較4種瀝青膠漿黏度與基質瀝青黏度，膠漿黏度顯著大于基質瀝青。這是由于加入填料后，填料吸附瀝青形成容重更大的瀝青膠漿，增加了黏度計測試轉子的運動阻力，表現為黏度增大；

(2)在相同摻量(20%)條件下，椰糠和蔗渣瀝青膠漿在各溫度條件下的黏度均與石灰巖膠漿黏度相近。在溫度150～180 ℃條件下，椰糠、蔗渣和石灰巖填料的瀝青膠漿黏度分別為0.417～0.467、0.283～0.316、0.207～0.223和0.150～0.173 Pa·s。而花崗巖填料瀝青膠漿黏度較低，黏度為0.11～0.33 Pa·s。這一結果可以通過填料的微觀形貌來解釋，由SEM圖可看到，花崗巖填料顆粒比其他填料更圓潤，表面微觀紋理最少，這與文獻[12]的研究結論一致。

根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F 40—2004)要求，基質瀝青混合料拌和與壓實溫度一般采用瀝青黏度進行確定。其中，以(0.17±0.02)Pa·s對應溫度為混合料拌和溫度，以(0.28±0.03)Pa·s為混合料壓實溫度。為研究不同填料對瀝青混合料作業溫度的影響，參照基質瀝青拌和溫度確定標準，以上述2個黏度范圍確定各瀝青膠漿拌和與壓實溫度，計算結果如表4所示。

表4 不同瀝青或瀝青膠漿拌和與壓實溫度Tab.4 Different asphalt or asphalt cement slurry mixing with the compaction temperature

從表4可以得知，采用瀝青膠漿進行拌和與碾壓溫度確定時，應考慮填料對瀝青黏度變化的影響。相比基質瀝青，摻加填料的瀝青膠漿拌和與壓實溫度提高了10～24 ℃；相比石灰巖瀝青膠漿，椰糠與蔗渣填料略微增大了拌和與碾壓溫度，花崗巖瀝青膠漿降低了拌和與碾壓溫度約10 ℃。因此，若以瀝青膠漿和易性確定瀝青施工溫度時，添加20%蔗渣與20%椰糠的瀝青膠漿施工溫度應與20%摻量石灰巖填料相當；而摻加花崗巖填料時，施工溫度則可顯著降低。

3 蔗渣與椰糠填料對瀝青混合料性能影響

根據試驗設計方案，對相同試驗溫度、根據瀝青黏度確定試驗溫度的2種試驗條件分別進行瀝青混合料性能試驗。

3.1 馬歇爾穩定度試驗

分別按前述2個不同試驗溫度條件進行瀝青混合料馬歇爾試件制備，其中在條件1(按基質瀝青黏度確定試驗溫度)下瀝青混合料穩定度試驗結果如表5所示。

表5 馬歇爾穩定度試驗結果(條件1)Tab.5 Marshall stability test results (Condition 1)

從表5可以得知，椰糠填料混合料穩定性最高為9.66 kN，對應流值為2.77 mm；蔗渣混合料的穩定性最低為8.69 kN，對應流值為2.62 mm。《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F 40—2004)規定，高等級公路穩定度應不小于8 kN，流值為2～4 mm，上述所有試樣均滿足限定要求。

根據表4確定的試驗溫度進行瀝青混合料拌和與擊實，在條件2(按瀝青膠漿黏度確定試驗溫度)下瀝青混合料穩定度試驗結果如表6所示。

表6 馬歇爾穩定度試驗結果(條件2)Tab.6 Marshall stability test results (Condition 2)

從表6可以得知，椰糠填料混合料穩定性仍最高為11.21 kN，對應流值為3.33 mm；蔗渣混合料的穩定性仍最低為9.21 kN，對應流值為3.321 mm；表明提高瀝青混合料試驗溫度后，馬歇爾穩定度與流值變化趨勢仍然保持不變。對比2個條件下馬歇爾試驗結果，穩定度與流值均增大；其中，穩定度增大表明瀝青混合料抗變形能力增強，流值增大則是由于有混合料可承受彈性變形形變能力增強。

3.2 路用性能

水穩定性

為研究不同填料瀝青混合料水穩定性，采用表6“條件2”中確定的試驗溫度進行瀝青混合料拌和與擊實，凍融劈裂強度比(TSR)試驗結果如圖5所示。

圖5 不同填料瀝青混合料凍融劈裂強度比Fig.5 Freeze-thaw split strength ratio of different filled asphalt mixture

由圖5可以看出，對比不同填料混合料TSR值，按大小排序依次為：石灰巖、蔗渣、椰糠、花崗巖。除花崗巖填料瀝青混合料外，瀝青混合料試件TSR值均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)(下稱《施工規范》)規定大于等于75%要求。表明蔗渣與椰糠作為瀝青混合料填料時可使其水穩定性滿足要求，具有工程應用的潛質。但花崗巖填料TSR值僅為72%，不符合規范要求；這可能是由于黃崗巖為酸性集料，與瀝青粘附性差，若將其替代傳統石灰巖礦粉，可能會導致水損害。

高溫穩定性

采用表6“條件2”中確定的試驗溫度進行瀝青混合料拌和與擊實，成型車轍板試件進行高溫車轍試驗，試驗結果如圖6所示。

圖6 不同填料瀝青混合料動穩定度Fig.6 Dynamic stability of different fill asphalt mixture

由圖6可知，高溫穩定性試驗結果表明，蔗渣與椰糠填料對應混合料高溫穩定性顯著小于2種礦質填料制備的混合料，表明替換部分礦質填料后會導致高溫穩定性呈現一定下降趨勢。但所有試樣均滿足《施工規范》對夏炎熱地區動穩定度大于等于1 000 次/mm的要求。

低溫穩定性

采用表6“條件2”中確定的試驗溫度進行瀝青混合料拌和與擊實，成型車轍板試件后切割制備成小梁試件，并進行小梁彎曲試驗，試驗結果如圖7所示。

圖7 不同填料瀝青混合料低溫破壞應變Fig.7 Low-temperature damage strain of different filling asphalt mixtures

由圖7可知，低溫彎曲試驗結果表明，蔗渣與椰糠填料對應混合料低溫性能較傳統石灰巖填料對應混合料低，但較花崗巖填料對應混合料高。同時，由表中標記可看到，蔗渣與椰糠作為填料制備的混合料可以滿足《施工規范》對嚴寒區低溫性能要求。其中，花崗巖填料對應破壞應變最小，表明花崗巖作為填料使用時，會對各項路用性能產生影響，如需使用應進行全面評估。綜合路用性能可知，蔗渣與椰糠可作為填料在瀝青混合料中推廣使用。

4 結語

(1)在20%的填料摻量下(占瀝青體積比)，椰糠和蔗渣填料的瀝青膠漿黏度與石灰石填料的膠漿黏度相當；

(2)相比傳統的基于瀝青黏度施工溫度確定方法，基于瀝青膠漿黏度的試驗溫度確定方法具有更好的科學性，對應混合料穩定度得到顯著提升；

(3)椰糠和蔗渣填料對應瀝青混合料穩定度、凍融劈裂強度比、動穩定度均符合規范要求，低溫破壞應變符合冬寒區限定要求。表明椰糠和蔗渣作為瀝青混合料填料具有良好的潛在性能。