改性玉米秸稈纖維SMA-13路用性能試驗研究

摘要：為研究改性玉米秸稈纖維對瑪蹄脂碎石混合料（stone matrix asphalt，SMA）-13路用性能的影響，在瀝青混合料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%，長度分別為3、6、9 mm的改性玉米秸桿纖維，對瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗、小梁彎曲低溫試驗、凍融劈裂試驗和鋪面長期性能試驗。試驗結(jié)果表明：瀝青混合料加入改性玉米秸稈纖維可提高動穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變、凍融劈裂強(qiáng)度比，減小因重復(fù)荷載作用而產(chǎn)生的車轍深度；改性玉米秸稈纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，隨改性玉米秸稈纖維長度的增大，瀝青混合料的路用性能增強(qiáng)，改性玉米秸稈纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時，隨改性玉米秸稈纖維長度的增大，瀝青混合料的路用性能先增大后減小；改性玉米秸稈纖維長度相同時，隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，瀝青混合料的路用性能先增強(qiáng)后減弱，改性玉米秸稈纖維長度分別為3、6、9 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%、0.6%、0.4%時，瀝青混合料路用性能最佳，其中改性玉米秸稈纖維長6 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的瀝青混合料路用性能最佳。

關(guān)鍵詞：SMA-13；路用性能；改性玉米秸稈纖維；纖維長度；纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)

中圖分類號：U447；U442.5+9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2025）01-0068-06

0 引言

在瀝青混合料中摻入纖維，可在一定程度上提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等路用性能[1-3]。常用的纖維材料有礦物纖維、合成纖維和木質(zhì)素纖維，木質(zhì)素纖維吸附瀝青混合料中的自由瀝青能力較強(qiáng)，對瀝青混合料的路用性能提高效果顯著，應(yīng)用廣泛[4-5]。大部分木質(zhì)素纖維來源于原木，大規(guī)模使用會導(dǎo)致森林資源減少，違背道路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展原則[6-7]。

玉米秸稈纖維是環(huán)保、可再生的綠色材料，可規(guī)模化制備后摻入瀝青混合料中，分析其在道路工程的性能[8-10]。徐豪等[11]采用NaOH改性玉米秸稈纖維，發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青混合料中改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，浸泡30 min后，路用性能明顯優(yōu)于未改性玉米秸稈纖維，改性玉米秸稈纖維的技術(shù)參數(shù)與木質(zhì)素纖維相當(dāng)。Chen等[12]發(fā)現(xiàn)加入改性玉米秸稈纖維能顯著增大瀝青膠漿的軟化點和復(fù)數(shù)模量，減小針入度和相位角。Wang等[13]發(fā)現(xiàn)改性玉米秸稈纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～2.0%時，瀝青混合料路用性能最佳。陳梓寧[14]發(fā)現(xiàn)在瑪蹄脂碎石混合料（stone matrix asphalt，SMA）-13中的路用性能在改性玉米秸稈纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時最佳。現(xiàn)有研究主要集中于路用玉米秸稈纖維的改性工藝、單一因素條件下纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對瀝青膠漿和瀝青混合料性能的影響，在多因素條件下，研究纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和纖維長度對瀝青混合料的路用性能的影響相對較少[15-16]。

本文采用車轍試驗、小梁彎曲低溫試驗、凍融劈裂試驗和鋪面性能試驗，系統(tǒng)評價改性玉米秸稈纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和鋪面長期性能，探討瀝青混合料在改性玉米秸稈纖維不同長度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的道路性能，為玉米秸稈纖維瀝青混合料在道路施工上的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（Styrene-Butadiene-Styrene，SBS）（I-D）改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。絮狀木質(zhì)素纖維和自制改性玉米秸稈纖維主要性能指標(biāo)如表2所示。將玉米秸稈通過萬能粉碎機(jī)制得秸稈纖維，經(jīng)過泡水、機(jī)械粉碎、晾干、篩分、NaOH溶液浸泡、沖洗、烘干等[17]工藝制得改性玉米秸稈纖維。

選擇優(yōu)質(zhì)玄武巖為粗細(xì)集料，精細(xì)研磨的石灰?guī)r粉為礦粉，材料性能均符合文獻(xiàn)[18]的相關(guān)要求。

1.2 配合比設(shè)計

采用SMA-13瀝青混合料，粒徑分別為gt;10～15 mm、gt;5～10 mm、0～5 mm集料、礦粉的質(zhì)量比為41∶34∶15∶10。通過馬歇爾試驗法確定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)w下不同改性玉米秸稈纖維長度的瀝青混合料的最佳油石比，結(jié)果如表3所示。在瀝青混合料中木質(zhì)素纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%[19-20]，所制備的瀝青混合料L-0.3%的最佳油石比為6.12%。

1.3 試驗方法

通過車轍試驗測試不同瀝青混合料試件的高溫穩(wěn)定性。將不同改性玉米秸稈纖維長度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)的的SMA-13級配車轍板及L-0.3%車轍板放入（60±1）°C的恒溫箱中保溫5 h（不超過12 h），將保溫良好的車轍板安裝在自動車轍儀的試驗臺上，試驗輪壓力為0.7 MPa，碾壓速度為42次/min，往復(fù)碾壓，碾壓1 h后結(jié)束試驗，計算動穩(wěn)定度。

通過小梁彎曲低溫試驗測試不同瀝青混合料試件的低溫抗裂性。將棱柱體小梁放在恒溫（-10 ℃±0.5 ℃）環(huán)境箱中保溫1 h，將保溫好的試件置于模塊化機(jī)電伺服驅(qū)動瀝青試驗機(jī)上，以恒定加載速率對試件施加荷載直至試件破壞，計算最大彎拉應(yīng)變。

通過凍融劈裂試驗測試不同瀝青混合料試件的水穩(wěn)定性。將4個馬歇爾試件放入溫度為25 ℃的水浴箱中保溫2.5 h，另外4個馬歇爾試件先放入溫度為-18 ℃的環(huán)境箱中冷卻16 h，隨后放入溫度為60 ℃的恒溫水浴中保溫24 h，并轉(zhuǎn)移恒溫（25 ℃）水槽中保溫2 h，保溫結(jié)束后將試件置于馬歇爾試驗儀上，加載速度為50 mm/min至試件破壞，計算凍融劈裂強(qiáng)度比。

通過加速加載試驗測試不同瀝青混合料試件的鋪面長期性能。課題組自主研發(fā)的鋪面性能智能檢測設(shè)備如圖1所示。此設(shè)備由溫度控制系統(tǒng)及加速加載系統(tǒng)構(gòu)成，可測試在不同溫度、不同行車荷載的共同作用下瀝青混合料的抗車轍能力，也可測試單一環(huán)境條件下瀝青混合料的長期性能。

對最佳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下3種改性玉米秸稈纖維長度的瀝青混合料及L-0.3%車轍試件進(jìn)行長期性能監(jiān)測，研究不同纖維瀝青混合料在不同荷載作用下的車轍變化規(guī)律。試驗溫度為60 ℃，荷載分別為0.7、0.9、1.1 MPa，轉(zhuǎn)速為10 r/min，車輪每加載3 000次時記錄1次車轍深度，加載27 000次時結(jié)束試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

不同改性玉米秸稈纖維長度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，瀝青混合料試件的動穩(wěn)定度如表4所示。L-0.3%的動穩(wěn)定度為4 995次/mm。

由表4可知：1）改性玉米秸稈纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨改性玉米秸稈纖維在瀝青混合料中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而先增大后減小，改性玉米秸稈纖維長度分別為3、6、9 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%、0.6%、0.4%時，改性玉米秸稈纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度最大，相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為對應(yīng)長度改性玉米秸稈纖維瀝青混合料動穩(wěn)定度的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2）改性玉米秸稈纖維長度為3 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%和1.0%時，或長度為6 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6%、0.8%和1.0%時，或長度為9 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.4%和0.6%時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度均大于L-0.3%。

可通過適當(dāng)增大改性玉米秸稈纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或選擇較長的改性玉米秸稈纖維，在SMA-13中獲得與木質(zhì)素纖維相似的高溫性能增強(qiáng)效果。隨纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，改性玉米秸稈纖維在瀝青混合料內(nèi)部有效搭接形成緊密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮加筋、增韌作用，提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[21]。但改性玉米秸稈纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大，瀝青混合料內(nèi)部易出現(xiàn)纖維結(jié)團(tuán)、凝聚等現(xiàn)象，降低纖維骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性瀝青混合料高溫性能。

2.2 低溫抗裂性

不同改性玉米秸稈纖維長度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變結(jié)果如表5所示。通過小梁彎曲低溫試驗可知，L-0.3%的最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 613×10-6。

由表5可知：1）改性玉米秸稈纖維的最大彎拉應(yīng)變隨纖維在瀝青混合料中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而先增大后減小，改性玉米秸稈纖維長度分別為3、6、9 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%、0.6%、0.4%時，改性玉米秸稈纖維瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變最大，相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為對應(yīng)長度改性玉米秸稈纖維瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2）摻入長度分別為3、6 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6%、0.8%、1.0%，或長度為9 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.4%、0.6%的改性玉米秸稈纖維時，瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均大于L-0.3%。

可通過適當(dāng)增大改性玉米秸稈纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或選擇較長的改性玉米秸稈纖維，使其在瀝青混合料中低溫性能改善效果與0.3%木質(zhì)素纖維相同。不同長度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對改性玉米秸稈纖維瀝青混合料低溫性能改善效果存在差異。改性玉米秸稈纖維長度增大，最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，原因是長纖維和高質(zhì)量分?jǐn)?shù)會使瀝青混合料中的纖維團(tuán)更易相互纏繞，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，誘發(fā)裂縫產(chǎn)生。為滿足瀝青混合料的低溫使用要求，須合理選擇改性玉米秸稈纖維長度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.3 水穩(wěn)定性

不同改性玉米纖維長度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瀝青混合料的凍融劈裂試驗強(qiáng)度比如表6所示。由凍融劈裂試驗可知，L-0.3%的凍融劈裂試驗強(qiáng)度比為80.32%。

由表6可知：1）改性玉米秸稈纖維的凍融劈裂試驗強(qiáng)度比隨改性玉米秸稈纖維在瀝青混合料中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而先增大后減小，改性玉米秸桿纖維長度分別為3、6、9 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%、0.6%、0.4%時，改性玉米秸稈纖維瀝青混合料的凍融劈裂試驗強(qiáng)度比最大，相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為對應(yīng)長度改性玉米秸稈纖維瀝青混合料凍融劈裂試驗強(qiáng)度比的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2）摻入長3 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6%、0.8%、1.0%的改性玉米秸桿纖維，或長6 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%、0.6%、0.8%、1.0%，或長9 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%時，改性玉米秸稈纖維瀝青混合料的凍融劈裂試驗強(qiáng)度比均大于L-0.3%。

可通過適當(dāng)增大改性玉米秸稈纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或選擇較長的改性玉米秸稈纖維，在SMA-13中獲得與木質(zhì)素纖維相似的水穩(wěn)定性增強(qiáng)效果。隨改性玉米秸稈纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，不同長度纖維可增強(qiáng)改性玉米秸稈纖維與瀝青間的吸附作用，構(gòu)建纖維與瀝青相互交織的骨架結(jié)構(gòu)，增大集料表面的瀝青膜覆蓋厚度及瀝青與集料間的黏附力，進(jìn)行凍融循環(huán)劈裂試驗后，改性玉米秸稈纖維瀝青混合料的瀝青剝落率較低，劈裂強(qiáng)度較高。

2.4 鋪面長期性能

由2.1～2.3節(jié)可知，長3、6、9 mm的改性玉米秸稈纖維在瀝青混合料的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%、0.6%、0.4%，分別記為C-3-0.8%、C-6-0.6%、C-9-0.4%。最佳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，不同長度的改性玉米秸稈纖維及L-0.3%鋪面長期性能試驗結(jié)果如圖2所示，模擬路面壓強(qiáng)為0.7～1.4 MPa的不同交通荷載。

由圖2可知：在4種纖維瀝青混合料中，車轍深度的增長方式相似。隨加載次數(shù)增大，車轍深度初期增速較快，曲線斜率較大，但隨時間推移，增速放慢。主要原因是加載次數(shù)達(dá)到6 000前，瀝青混合料處于骨料的壓實階段，在外荷載作用下排出間隙中空氣，內(nèi)部嵌合更緊密。進(jìn)入瀝青混合料流動階段，瀝青混合料在壓密階段的密實度增大，車轍深度增速較緩。隨荷載水平增大，改性玉米秸稈纖維以最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻入瀝青混合料時，車轍深度均小于木質(zhì)素纖維瀝青混合料，表明改性玉米秸稈纖維在提升瀝青混合料的耐久性方面效果更顯著，在瀝青路面施工領(lǐng)域具備替代木質(zhì)素纖維的潛力，為工程材料的綠色化與可持續(xù)發(fā)展提供新選擇。

3 結(jié)論

1）在瀝青混合料中摻入改性玉米秸稈纖維，提高瀝青混合料的動穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變和凍融劈裂強(qiáng)度，車轍深度減小。

2）改性玉米秸稈纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變和凍融劈裂強(qiáng)度比隨纖維長度增大而先增大后減小；隨加載次數(shù)增大，車轍深度初期增速較快，曲線斜率較大，但隨時間推移，增速放慢。

3）在瀝青混合料中摻入長6 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的改性玉米秸稈纖維，瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性及鋪面長期性能最佳，且優(yōu)于木質(zhì)素纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的瀝青混合料。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳闖闖.不同種類纖維SMA-13瀝青混合料性能試驗研究[D].揚州：揚州大學(xué)，2023.

[2] 李祖仲，李夢園，劉衛(wèi)東，等.蔗渣纖維表面改性及其瀝青混合料路用性能[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2024，54（6）：1738-1745.

[3] LIU J Y， LI Z Z， CHEN H X， et al. Investigation of cotton straw fibers for asphalt mixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering， 2020， 32（5）： 04020105.

[4] LIU F， PAN B F， BIAN J R， et al. Experimental investigation on the performance of the asphalt mixture with ceramic fiber[J].Journal of Cleaner Production， 2023， 384： 135585.

[5] ENIEB M， DIAB A， YANG X. Short-and long-term properties of glass fiber reinforced asphalt mixtures[J].International Journal of Pavement Engineering， 2021， 22（1/2）： 64-76.

[6] 牛兆旭.大摻量橡膠/聚酯纖維SMA瀝青混合料低溫抗裂性能研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2022.

[7] 雷勝友，惠會清.纖維瀝青混合料強(qiáng)度的理論研究與試驗驗證[J].河南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，41（5）：174-179.

[8] ZHAO H， GUAN B W， XIONG R， et al. Investigation of the performance of basalt fiber reinforced asphalt mixture[J].Applied Sciences， 2020， 10（5）： 10051561.

[9] LUO D， KHATER A， YUE Y C， et al. The performance of asphalt mixtures modified with lignin fiber and glass fiber： a review[J].Construction and Building Materials， 2019， 209： 377-387.

[10] 王玉林，盧東，徐寧.木質(zhì)素纖維對再生透水瀝青混合料路用性能研究[J].公路，2021，66（2）：52-56.

[11] 徐豪，王琨，樊麗然，等.新型瀝青混合料摻加料玉米秸稈纖維的制備工藝及改性方法[J].山東交通學(xué)院學(xué)報，2023，31（2）：102-108.

[12] CHEN Z N， YI J Y， CHEN Z G， et al. Properties of asphalt binder modified by corn stalk fiber[J].Construction and Building Materials，2019，212：225-235.

[13] WANG K， WU Q， HU P， et al. Road performance and microscopic mechanism analysis of modified straw fiber asphalt binder[J].Advances in Materials Science and Engineering，2023，2023：2328556.

[14] 陳梓寧. 玉米秸稈纖維瀝青吸附機(jī)制及其SMA路用性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2021.

[15] 熊余康.生物質(zhì)纖維瀝青混合料路用性能研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2023.

[16] CHEN Z N， CHEN Z G， YI J Y， et al. Application of corn stalk fibers in SMA mixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering， 2021， 33（7）： 04021147.

[17] CHEN Z N， CHEN Z G， YI J Y， et al. Preparation method of corn stalk fiber material and its performance investigation in asphalt concrete[J].Sustainability，2019，11（15）：11154050.

[18] 中華人民共和國交通運輸部，交通運輸部公路科學(xué)研究院.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程： JTG E20—2011[S].北京： 人民交通出版社， 2011.

[19] 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(jī)理分析[J].中國公路學(xué)報，2019，32（2）：47-58.

[20] 馬峰，潘健，傅珍，等.纖維瀝青混合料最佳纖維摻量的確定[J].河南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，38（5）：138-145.

[21] TAO H， LIU H M， YANG J， et al. Evaluation of biomass solid waste as raw material for preparation of asphalt mixture[J].Nature Environment and Pollution Technology， 2023， 22（1）： 511-516.

Experimental study on road performance of

modified corn stalk fiber SMA-13

Abstract：To study the effect of modified corn straw fibers on the performance of stone matrix asphalt （SMA）-13， modified corn straw fibers are added to the asphalt mixture. Under different mass fractions （0.2%， 0.4%， 0.6%， 0.8%， 1.0%） and lengths （3， 6， 9 mm） of the modified corn straw fibers， the asphalt mixture is subjected to rutting tests， beam bending low-temperature tests， freeze-thaw splitting tests， and surface performance tests. The results show that the addition of modified corn straw fibers can effectively improve the dynamic stability， maximum tensile strain， and freeze-thaw splitting strength ratio of the asphalt mixture， while reducing the rut depth caused by repeated loading. When the mass fraction of modified corn straw fibers is low， the performance of the asphalt mixture improves with the increase in fiber length. When the mass fraction of modified corn straw fibers is high， the performance of the asphalt mixture first increases and then decreases with the increase in fiber length. When the lengths of the modified corn straw fibers are the same， as the mass fraction increases， the performance of the asphalt mixture first enhances and then weakens. For modified corn straw fibers with lengths of 3， 6， and 9 mm， the best performance is achieved at mass fractions of 0.8%， 0.6%， and 0.4%， respectively， with the best performance observed in the asphalt mixture containing 6 mm long modified corn straw fibers at a mass fraction of 0.6%.

Keywords：SMA-13; road performance; modified corn stalk fiber; fiber length; fiber content