稻殼灰復合橡膠改性瀝青路用性能研究

摘 要：文章為了研究稻殼灰對橡膠改性瀝青路用性能的影響，對不同摻量（0、1%、2%、3%及4%）下的稻殼灰復合橡膠改性瀝青分別進行瀝青及瀝青混合料性能試驗。結果表明，在一定摻量范圍內，隨著稻殼灰的摻入，可有效改善橡膠改性瀝青的抗高溫能力、抗變形能力及抗水損害能力，但會降低其疲勞性能和低溫性能。在綜合考慮路用性能和規范要求的前提下，稻殼灰可作為橡膠改性瀝青的有效改性劑，工程應用最佳推薦摻量為3%。

關鍵詞：道路工程；稻殼灰；橡膠改性瀝青；復合改性；路用性能

中圖分類號：U416.217A030074

0"引言

隨著我國汽車產業的高速發展，國內汽車保有量越來越多，隨之出現了大量的廢舊橡膠輪胎，這些廢舊橡膠輪胎難以分解于自然界，傳統的處理方法一般有焚燒、掩埋等方式，但這些處理方式會破壞生態植物生長，惡化自然環境，嚴重地威脅著人類的生存環境和身體健康［1］。目前國際上對于廢舊橡膠輪胎的固廢處理主要集中在公路建設上，通過將回收的廢舊橡膠輪胎進行二次破碎粉化加工，以瀝青改性劑的形式添加到基質瀝青中，調制成性能優良的橡膠改性瀝青，用于道路瀝青面層的建設［2］。

稻殼灰是一種綠色環保可再生材料，主要是由秸稈、稻殼在經過焚燒除塵后得到的細灰，含有的主要成分是SiO2、CaO及MgO等氧化物及多種微量元素，SiO2具有很高的類似于火山灰的活性，以無定形、納米級的形式存在，是作為瀝青類改性劑很好的材料［3］。

王昌義等［4］采用電鏡掃描的方式對不同處理工藝后的稻殼灰進行試驗，發現稻殼灰主要以不定形SiO2含量為主，具有較高的活性和吸附作用，在與瀝青結合后形成穩定的三維層狀結構，抗車轍能力得到極大提高；王晨等［5］為了研究稻殼灰和鋼渣資源再利用的可行性，在砂漿中分別摻入稻殼灰和鋼渣，進行物理力學性能和施工性能測試，通過對比研究發現了稻殼灰和鋼渣在CA砂漿中的最佳配比，并闡述了稻殼灰和鋼渣分別在CA砂漿中所起的作用；姬楓［6］分別對添加不同摻量稻殼灰的改性瀝青進行瀝青和瀝青混合料試驗，發現稻殼灰可以提高改性瀝青的高溫性能、水穩定性能及溫度敏感性，但會降低其低溫抗開裂能力和存儲穩定性；蔡俊等［7］對稻殼灰改性瀝青進行老化后的三大指標試驗，試驗結果顯示稻殼灰可以改善基質瀝青的抗老化能力。

在我國將稻殼灰作為橡膠改性瀝青的改性助劑是一種全新的探索，相關研究人員對其內部的改性機理和規律認識仍然不夠深入，目前國內在這方面的研究幾乎空白。基于此，本文將制備不同摻量的稻殼灰復合橡膠改性瀝青，分別進行瀝青及瀝青混合料性能試驗，全面系統地分析其路用性能，為稻殼灰復合橡膠改性瀝青的施工和工程應用提供理論依據。

1"試驗原材料

橡膠改性瀝青的各項技術參數和試驗結果見表1，結果均滿足《橡膠瀝青路面施工技術規范》（DB 45/T 1098-2014）［10］的要求。本試驗所用稻殼灰為廣西崇左市的廢舊秸稈高溫焚燒所得，經過行星球磨機研磨和0.075 mm篩網后的稻殼灰各項技術性能指標如表2所示。

2"稻殼灰復合橡膠改性瀝青制備

在180 ℃的烘箱中放入成品橡膠改性瀝青加熱3 h，直至完全融化，然后在橡膠改性瀝青中加入一定質量的稻殼灰（分別為橡膠改性瀝青質量的0、1%、2%、3%、4%），不斷攪拌直至均勻，隨后放入轉速為5 000 r/min的高速剪切儀中恒溫（180 ℃）剪切40 min，直至改性劑完全分布均勻并溶解為止。

3"常規性能試驗結果分析

3.1"針入度試驗結果

在我國瀝青技術規范體系中，以瀝青針入度值作為劃分瀝青等級的標準，是作為不同氣候分區的重要技術指標。瀝青針入度值越小，代表瀝青硬度越高，更適合高溫的氣候地區；針入度值越大，代表瀝青硬度越低，更適合低溫的氣候地區。不同摻量下稻殼灰復合橡膠改性瀝青的針入度值變化情況如圖1所示。

由圖1可知，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的針入度值隨著稻殼灰摻量的增加而不斷降低，這說明稻殼灰可以改善橡膠改性瀝青的硬度；在有限摻量范圍內，當稻殼灰摻量達到4%時，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的針入度值最小，此時稻殼灰復合橡膠改性瀝青的硬度達到最高，達到30#瀝青的硬度標準。

3.2"軟化點試驗結果

軟化點代表瀝青能抵抗環境氣候的最高允許溫度，瀝青的軟化點越高，代表該瀝青抵抗環境氣候的最高允許溫度越大，反之則越小。相關軟化點試驗結果見圖2。

由圖2可知，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的軟化點隨著稻殼灰摻量的增加而不斷提高，這表明隨著改性劑摻量的增加，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的高溫性能不斷提高。

3.3"延度試驗結果

瀝青延度越大代表瀝青低溫性能越好，其模擬瀝青材料在低溫環境和固定荷載拉力下的最大延伸長度。延度試驗結果見圖3。

由圖3可知，隨著稻殼灰改性劑摻量的增加，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的低溫延度不斷降低，這表明稻殼灰的摻入會影響橡膠改性瀝青的內部結構，降低其低溫使用性能。當稻殼灰摻量達到3%時，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的低溫延度達到規范臨界值5 cm；當稻殼灰摻量＞3%時，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的低溫延度不滿足規范要求。

3.4"黏度試驗結果

瀝青黏度是反映瀝青在一定溫度環境下表現出來的粘結強度，是決定瀝青混合料施工和易性的重要因素。瀝青黏度越大，瀝青混合料的施工和易性越差，攤鋪碾壓越困難；瀝青黏度越小，瀝青混合料的施工和易性越好，攤鋪碾壓越容易。黏度試驗結果見圖4。

從圖4可得，當稻殼灰改性劑摻入橡膠改性瀝青后，改性劑摻量提高，則稻殼灰復合橡膠改性瀝青的黏度提高，且斜率不斷增大，這表明隨著稻殼灰改性劑摻量的不斷增加，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的施工和易性越差，攤鋪碾壓越困難，并且增速越來越明顯。當改性劑摻量達到4%時，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的180 ℃黏度已經超過規范限制要求。

4"流變性能試驗結果分析

瀝青結合料是一種感溫性能材料，其路用性能隨著溫度變化而不斷改變。基于瀝青結合料的粘彈特性，美國于20世紀80年代研發了動態剪切流變儀，通過動態剪切流變儀可以測量瀝青的車轍因子和疲勞因子，分別代表瀝青抵抗高溫變形的能力和抵抗疲勞開裂的能力。因此，本文根據廣西區內常年高溫炎熱的氣候條件，將動態剪切流變儀試驗溫度設置為60 ℃，試驗頻率根據高速公路行車的速度設置為10 rad/s。試驗結果如圖5和圖6所示。

由圖5可知，隨著稻殼灰摻量的增加，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的車轍因子呈現不斷增加的趨勢，這與針入度、軟化點及黏度表現規律一致，并在摻量達到4%時最高。這表明稻殼灰復合橡膠改性瀝青的抗高溫車轍性能隨著改性劑摻量的增加而不斷增大，且在摻量達到4%時最強。此外，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的增長斜率在摻量達到2%后，急劇變化增大，這說明2%摻量的稻殼灰為稻殼灰復合橡膠改性瀝青的抗車轍能力增長“閾值”。

由圖6可知，隨著稻殼灰摻量的增加，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的疲勞因子呈現不斷增加的趨勢，這表明稻殼灰的摻入會降低橡膠改性瀝青的疲勞性能，這與圖5表現的規律一致，主要是由于稻殼灰的摻入導致橡膠改性瀝青內部的瀝青質空隙不斷被填充，橡膠改性瀝青整體不斷變硬，柔韌性不斷下降，使抗疲勞性能不斷下降，故稻殼灰在實際工程應用中，應考慮摻量對橡膠改性瀝青疲勞性能的影響，合理選擇改性劑摻量。

5"瀝青混合料性能試驗結果分析

5.1"穩定度和流值試驗結果

瀝青混合料的穩定度代表瀝青抵抗固定荷載的強度，穩定度值越大則代表瀝青混合料抵抗荷載的強度越大；瀝青混合料的流值代表瀝青抵抗固定荷載下的流動變形，流值越大則代表瀝青混合料抵抗荷載變形越大。將不同摻量的稻殼灰復合橡膠改性瀝青分別進行馬歇爾試件擊實，然后分別進行穩定度和流值測試，相關試驗結果見圖7和圖8。

分析圖7和圖8可知，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的穩定度隨著稻殼灰改性劑摻量的增加呈現先增加后降低的趨勢，流值則隨著稻殼灰改性劑摻量的增加呈現先降低后增加的趨勢，峰值摻量均為3%。這表明一定摻量的稻殼灰可以有效改善橡膠改性瀝青的強度和抗變形能力，最佳摻量為3%。

5.2"車轍試驗結果

瀝青混合料車轍試驗是根據一定尺寸制作的車轍試件，按照固定荷載進行的車輪碾壓模擬試驗，技術控制指標為動穩定度值。動穩定度值越大則代表瀝青混合料抵抗車轍變形的能力越強，反之則越弱。將不同摻量的稻殼灰復合橡膠改性瀝青分別進行車轍試驗，相關試驗結果見圖9。

分析圖9可知，隨著稻殼灰改性劑摻量的不斷增加，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的動穩定度呈現先增加后降低的趨勢，峰值摻量為3%。這表明一定摻量的稻殼灰可以有效改善橡膠改性瀝青的抗車轍能力，與穩定度值規律表現一致，最佳摻量為3%。

5.3"凍融劈裂試驗結果

瀝青混合料凍融劈裂試驗主要是反映瀝青混合料的抗水損害性能，凍融劈裂抗拉強度比越大，代表瀝青混合料的抗水損害性能越強。將不同摻量的稻殼灰復合橡膠改性瀝青分別進行凍融劈裂試驗，相關試驗結果見圖10。

分析圖10可得，隨著稻殼灰改性劑摻量的不斷增加，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的凍融劈裂抗拉強度比呈現先增加后降低的趨勢，當摻量達到2%時最高，之后隨著摻量的增加不斷下降，并且下降速度不斷增大；當摻量達到4%時，稻殼灰復合橡膠改性瀝青的凍融劈裂抗拉強度比已不滿足規范≥80%的技術要求。這表明一定摻量的稻殼灰可以改善橡膠改性瀝青的抗水損害能力，但摻量過多會導致稻殼灰復合橡膠改性瀝青的抗水損害能力下降。結合圖5～圖9綜合分析，可能主要是由于稻殼灰的過量摻入導致稻殼灰復合橡膠改性瀝青變硬，內部的輕質組分減少，瀝青整體柔韌性和抗開裂能力變差，使瀝青混合料易出現膠漿微裂紋，引起瀝青混合料的抗水損害能力大幅度下降。

6"結語

（1）通過瀝青性能試驗分析可得，在一定摻量范圍內，稻殼灰的摻入會降低橡膠改性瀝青的針入度和低溫延度，提高其車轍因子、疲勞因子及軟化點，這表明稻殼灰可有效改善橡膠改性瀝青的高溫性能，但會降低其疲勞性能和低溫性能。

（2）通過瀝青混合料性能分析可得，在一定摻量范圍內，隨著稻殼灰摻量的增加，橡膠改性瀝青混合料的穩定度、動穩定度及凍融劈裂抗拉強度比均呈現先增加后降低的趨勢，流值則呈現先降低后增加的趨勢，這表明適量的稻殼灰可有效改善橡膠改性瀝青的抗變形能力、抗車轍能力及抗水損害能力，但摻量過高會降低其各項混合料性能。

（3）在綜合考慮路用性能和規范要求的前提下，稻殼灰可作為橡膠改性瀝青的有效改性劑，工程應用最佳推薦摻量為3%。

參考文獻：

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