秸秆纤维路用性能试验研究

郎 森,陆海军,蔡光华

(武汉工业学院土木工程与建筑学院,湖北武汉 430023)

沥青路面作为一种无接缝连续路面,具有良好的行车舒适性和优异的使用性能,具体表现为整体强度高、行车平稳性好、低噪音、振动小、建设速度快、维修比较方便特点,被我国及世界各国广泛采用,在道路建设中占有很大比例[1]。但目前沥青路面普遍存在的技术和质量问题主要是公路工程使用寿命低和路面早期损坏现象严重,沥青道路的实际使用寿命普遍达不到设计的使用寿命,同时坑槽、开裂、车辙、泛油、抗滑性能不足等早期损坏现象,严重威胁着交通安全,不得不进行修复,造成巨大的经济损失。新建高速公路沥青路面产生早期损坏的原因,一方面是由于设计、施工方面的原因,材料性能差则是另一个重要因素。目前,对改善沥青混凝土路面的使用性能的研究主要集中在两个方面：一是改善矿质混合料的级配和施工工艺来提高沥青混合料的抗高温抗变形能力,另一方面则是从改善材料方面入手,如改性沥青等[2]。

近年来,由于一些纤维具有高强度、高延伸率、高取向性、易拌和等路用性能,被越来越多的用于沥青路面中[3]。纤维增强沥青路面以其性能好、施工技术简单等特点已受到越来越多的关注。在沥青混合料中加入纤维加筋材料,能够改善其整体的物理力学性能。目前,在沥青路面中常用的纤维材料主要有钢纤维、玻璃纤维、木质素纤维、矿物纤维、聚脂纤维和聚丙烯腈纤维等。钢纤维具有高强度、耐高温、高弯曲弹性和高取向性等路用性能,但也具有电解化学腐蚀,与沥青混凝土的不相容,粘附性能差,握裹力低,成本高等缺点;聚脂纤维路用性能较好,其缺点是呈化学惰性、表面光滑,与其它聚合物难以粘合,而且造价较高,不宜推广;玻璃纤维具有很高的初始长径比,但具有较脆,易断裂等缺点,因而长径比会急剧降低,补强效果也就很差,再者其表面缺乏反应性,因此很难达到与基质的良好粘合;木质素纤维具有化学性质比较稳定、吸油能力强、价格低廉等优点,被广泛应用于沥青路面中。但目前大部分木质素纤维的原材料为废旧报纸或原木,容易造成高速公路周围环境的铅污染和对森林资源的过度需求,不能满足节能减排要求。本文以农作物秸秆为原料提取秸秆纤维,并与木质素纤维和矿物纤维进行路用性能试验比较,研究秸秆纤维取代木质素纤维作为沥青路面添加材料的可行性。

1 试验材料和方法

1.1 秸秆纤维提取

本实验采用碱法蒸煮提取秸秆纤维,将农作物秸秆除去叶、穗、节等杂质,截取秸秆长度为 3― 5 cm长,洗净,晾干,放入包装袋备用。用碱量 (工业纯 NaOH)取 10%,最高蒸煮压力 380― 530 kPa,蒸煮时间为 3― 4 h,蒸煮温度 150― 160℃,高温蒸煮锅进行蒸煮。蒸煮完毕后,过滤,洗去碱液,用烘箱烘干即得秸秆纤维。

1.2 试验材料及混合料配合比设计

沥青：试验采用 AH-70沥青,集料：粗集料 (玄武岩碎石),细集料 (石灰岩石屑),填料使用磨细的石灰石粉。实验中为了便于对比,纤维采用自己提取的秸秆纤维,国产木质素纤维和矿物纤维。木质素纤维是天然木材或者回收的废报纸经过化学处理得到的有机纤维,表面比较粗糙,易于吸持沥青,化学性能比较稳定。矿物纤维是以玄武岩等矿石为原料生产,是一种无机非金属材料,具有较高的强度与弹性模量,化学性能稳定,不吸水不易受潮,抗氧化能力强,工作温度为 -260― 700℃,具有较好的分散性,易于在沥青混合料中均匀分散。纤维掺量 Pf以矿料质量的百分数计。试验中,秸秆纤维、木质素纤维和矿物纤维掺量均分别取 0.25%,0.30%,0.35%,0.40%,0.45%。由初步试验确定的 SMA(Stone Marix Asphalt,沥青玛蹄脂碎石混合料)-13设计目标级配见表1。

表1 SMA-13级配设计

试验采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052― 2000)规定的方法,分别进行 SMA的析漏损失△m,飞散损失△S,浸水残留稳定度MS0,冻融劈裂抗拉强度比 TSR以及动稳定度DS试验。

2 试验结果分析

2.1 析漏损失

谢伦堡沥青析漏试验是为了检验沥青混合料中自由沥青或沥青玛蹄脂是否过量而进行的试验,由此确定最大沥青用量。SMA尽管需要较多的沥青,但不能超过所有矿料的表面积所能吸附的最大沥青用量,否则就要产生多余的自由沥青,成为集料之间的润滑剂,造成玛蹄脂上浮,影响构造深度,降低高温性能。不同纤维析漏损失结果见图1;不同纤维SMA路用性能试验结果见表2。

图1 不同纤维析漏损失结果对比

表2 不同纤维 SMA路用性能试验结果

由图1和表2结果可知,秸秆纤维,木质素纤维和矿物纤维 SMA随着纤维掺量的不断增加,其析漏损失△m均呈现不断降低,是由于添加纤维后,纤维能够吸附混合料中的沥青,有利于形成较厚的沥青膜而不致使沥青滴落。在油石比相同的情况下,秸秆纤维和木质素纤维 SMA的析漏损失△m远低于矿物纤维,而秸秆纤维和木质素纤维 SMA的析漏损失△m却相差不大,说明秸秆纤维和木质素纤维的吸油能力远远高于矿物纤维,而秸秆纤维和木质素纤维吸油能力接近。这主要是因为矿物纤维表面直而光,具有较小的比表面积,而秸秆纤维和木质素纤维表面比较粗糙,易于吸持沥青。而且,从扫描电镜下还可见秸秆纤维具有中空管状结构,其比表面积是矿物纤维的 20倍,可吸附沥青的表面较矿物纤维大得多,因而,比矿物纤维具有更好的吸持和稳定沥青的能力。图2是提取的秸秆纤维扫面电镜图片,由图中可以看到秸秆纤维表面比较粗糙,有许多类似颗粒状物质。

图2 秸秆纤维电镜扫描图片

2.2 水稳定性

沥青路面水损坏是指沥青路面在水存在的条件下,经受交通荷载和温度变化的反复作用,水分逐步侵入到沥青和集料界面上,同时在动水压力作用下沥青膜逐渐从集料表面剥落,导致沥青与集料之间粘结力丧失而发生沥青路面损坏[4]。在潮湿多雨地区,水损坏是沥青路面损坏主要形式之一。有文献指出[5],沥青改性与否对 SMA水稳性的影响不大,但不同纤维品种会有所不同。不同纤维浸水残留稳定度MS0结果见图3。

图3 不同纤维浸水残留稳定度MS0对比

浸水马歇尔试验结果表明,三种纤维均具有较高的残留马歇尔稳定度,均能满足规范要求,总体上矿物纤维 SMA要略高于秸秆纤维和木质素纤维,秸秆纤维和木质素纤维浸水残留稳定度MSo随着纤维掺量的增加并没有明显变化,但两者之间差别不大。不同纤维劈裂抗拉强度比 TSR结果见图4。

图4 不同纤维劈裂抗拉强度比 TSR对比

冻融劈裂强度比试验结果表明,三种纤维沥青混合料的劈裂强度比 (TSR)均能满足规范要求,与浸水马歇尔试验相比其值略有降低,这是由于冻融劈裂试验经过冻融循环,其试验条件要比浸水试验更为苛刻[6]。同时也说明冻融劈裂试验更适合评价沥青混合料抗水损害性能。而三种纤维中,秸秆纤维和木质素纤维 SMA的劈裂强度比 TSR要略低于矿物纤维,说明秸秆纤维和木质素纤维混合料的抗水损坏能力不如矿物纤维沥青混合料,但是相差不大。

综合浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验结果发现,秸秆纤维和木质素纤维的耐水损害能力要略低于矿物纤维,但是比较接近均能满足规范要求。

2.3 抗车辙性能

沥青路面的高温稳定性习惯上是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。车辙试验是模拟车轮在路面上行驶而形成车辙的工程试验方法,其试验结果与实际路面有良好相关性,是评价沥青混合料高温抗变形能力的一种重要试验方法。高温稳定性一般用沥青混合料的动稳定度 DS表征。不同纤维动稳定度 DS结果见图5。

图5 不同纤维动稳定度DS对比

由图5结果可知,掺秸秆纤维和木质素纤维SMA的DS高于掺矿物纤维 SMA。说明秸秆纤维和木质素纤维要比矿物纤维具有更好的抗车辙性能。这可能是由于秸秆纤维和木质素纤维对沥青的吸附、稳定、增粘效果优于矿物纤维[7],这也与析漏试验结果一致。

随着秸秆纤维和木质素纤维掺量的增加,SMA的动稳定度 DS逐渐增大,高温稳定性逐渐增强。秸秆纤维和木质素纤维之所以能够改善沥青混合料的高温性能,是由于纤维对沥青的吸收和吸附作用,特别是沥青中较轻的油分被纤维吸附后,沥青的软化点提高,粘稠度和粘聚力增大,导致沥青胶浆劲度增加,极大地提高了混合料的动稳定度,改善了混合料的高温稳定性,进而显著提高 SMA抵抗变形的能力。

在相同的油石比和相同的纤维掺量下,秸秆纤维和木质素纤维的动稳定 DS高于矿物纤维,说明秸秆纤维和木质素纤维 SMA的耐高温能力优于矿物纤维 SMA。掺 0.40%矿物纤维 SMA其 DS要高于掺 0.25%,0.30%和 0.35%矿物纤维 SMA,但是掺 0.45%矿物纤维 SMA其 DS却低于掺 0.40%矿物纤维 SMA,这说明随着矿物纤维掺量的增加,SMA的DS表现出先增加后减小的规律,即存在一峰值。

3 结论

3.1 在油石比相同的情况下,秸秆纤维和木质素纤维 SMA的析漏损失远低于矿物纤维 SMA,而秸秆纤维和木质素纤维的析漏损失相差不大,说明秸秆纤维和木质素纤维吸持和稳定沥青的能力优于矿物纤维。

3.2 在耐水损害能力方面,矿物纤维要略优于秸秆纤维和木质素纤维的耐水损害能力。

3.3 秸秆纤维和木质素纤维的动稳定度相差不大,均高于矿物纤维,表明秸秆纤维和木质素纤维对沥青的吸附、稳定、增粘效果优于矿物纤维。

3.4 在抗析漏损失、耐水损害能力和抗高温变形能力方面,秸秆纤维和木质素纤维各项指标均差别不大,同时秸秆纤维在成本和环保方面要远远优于木质素纤维,说明秸秆纤维完全可以取代木质素纤维作为沥青路面添加材料。

[1] 陈华鑫,李宁利,胡长顺,等.纤维沥青混合料路用性能[J].长安大学学报,2004,24(2)：l-6.

[2] 孙家瑛,任传军,戴亚英.纤维对沥青混合料路用性能影响研究[J].中外公路,2004(26)：175-177.

[3] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 沈金安,李福普.SMA路面设计与铺筑 [M].北京：人民交通出版社,2003.

[5] 张远航,吴国雄,孟巧娟.纤维沥青混合料水稳定性评价方法研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版 ),2008(2)：244-247.

[6] 姜舰,潘洪祥,王兵.纤维加筋沥青混凝土抗裂性能研究[J].中外公路,2004,24(5)：111-113.

[7] 彭波,李文瑛,戴经梁.纤维在沥青混合料中应用的研究[J].中南公路工程,2003,28(2)：44-46.