秸秆纤维改性沥青混合料的试验及应用研究

摘要：文章对比木质素纤维改性效果，制备玉米秸秆纤维并对其在沥青混合料中的改性效果及相关性能进行了研究，同时铺筑试验路段对玉米秸秆纤维改性沥青混合料的实际应用效果进行了评价。室内试验表明：普通沥青混合料在掺入0. 3%玉米秸秆纤维后，其动稳定度提高了30. 8%，低温破坏应变提高了20.3%，冻融劈裂强度比与残留稳定度分别提高了4.1%、4. 5%，路用性能优异;相比于木质素纤维改性沥青混合料，普通沥青混合料在掺入0.3%玉米秸秆纤维后，其高温稳定性优于前者，低温抗裂性与水稳定性能与前者相当。工程应用实例表明：采用玉米秸秆纤维进行沥青路面上面层铺筑的试验路段，在通车三年内路面平整度高，无车辙病害及明显裂缝产生，实际使用性能优异，可对其进行推广应用。

关键词：玉米秸秆纤维;木质素纤维;改性沥青混合料;路用性能;室内试验

中图分类号：U416. 03文献标识码：A DOI： 10. 13282/j. cnki. wccst.2019.12.007

文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0022 - 04

0 引言

路用纤维目前已广泛在沥青路面中应用，已有研究表明，在沥青混合料中掺入玄武岩纤维、聚酯纤维及木质素等纤维可有效改善沥青路面的高低温稳定性，大大增加了沥青路面的应用范围，以满足特殊天气及特殊车辙下的交通需要[1 -4]。

玉米作為我国重要的农作物被广泛种植，但玉米秸秆的处理目前仍无十分有效的解决途径，秸秆回收途径有限，相当一部分秸秆仍在进行焚烧处理，既造成了资源浪费又污染了环境。由于玉米秸秆中具有一定的天然木质纤维素，考虑到目前木质素纤维在沥青路面中的应用可行性，将玉米秸秆加工成秸秆纤维为玉米秸秆的处理提供了一种新的思路。目前国内外已对类似的“生物纤维”进行了相关研究。Ochepo[5]研究发现在路面基层材料中掺入一定的蔗渣纤维可有效增加路面基层的强度;Panda[6]对椰子纤维进行了试验研究，试验表明在SMA沥青混合料中掺入一定量的椰子纤维可有效改善路用性能，并且得到椰子纤维的最佳掺量为0. 3%;李魏巍[7]的研究表明棉秸秆纤维与木质纤维对沥青混合料的改性效果相似，路用性能相近。

本文对比木质素纤维，制备玉米秸秆纤维并对其在沥青混合料中的改性效果及相关性能进行了研究，铺筑试验路段对玉米秸秆纤维改性沥青混合料的实际应用效果进行了评价。

1 室内试验

1.1试验材料

（l）玉米秸秆纤维：室内制备秸秆纤维的主要流程为[7]：秸秆取芯取皮→浸泡→破碎→烘干→筛分。室内制备的玉米秸秆纤维相关技术指标如表1所示。

（2）木质素纤维：试验所用纤维为重庆广为道路材料有限公司生产，其相关技术指标见表1。

（3）沥青：试验选用SBS（I -C）改性沥青，主要性能指标参照相关技术标准[8]检测，如表2所示。

（4）集料：碎石集料选用玄武岩，矿粉为石灰岩粉末。相关性能检测结果如表3所示。

1.2 配合比设计

（1）矿料级配

选用AC-1 3型级配类型，设计时的目标级配以相关规范[8]中所规定的级配中值为标准，合成级配设计如表4所示。

（2）配合比设计

参照相关规范标准[8]，采用马歇尔试验进行配合比设计。试验结果如表5所示。

1.3 试验方案

参照相关规范标准[9]所要求的试验方法及步骤检测路用性能，按设计级配及配合比制备三类不同沥青混合料试件，分别进行高温车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验。

2 室内试验结果分析

2.1 高温稳定性

高温稳定性通过车辙试验进行评测，温度为60℃，轮压为0.7 MPa。每类沥青混合料制备三个试件，两种纤维的掺量均为0. 3%。试验结果如表6和下页图1所示。

由表6和图1可知，三种不同类型沥青混合料的高温稳定性能试验检测结果均满足规范要求。相比于未掺纤维的普通沥青混合料，掺入木质素纤维与玉米秸秆纤维后的两类沥青混合料，其动稳定度均得到了显著提升，高温稳定性能优异，远远满足规范要求。其中掺木质素纤维的沥青混合料试件动稳定度提高了18. 6%，掺玉米秸秆纤维的沥青混合料试件动稳定度提高了30.8%，表明玉米秸秆纤维对高温稳定性的增强效果更佳。这是因为相比于木质素纤维，具有一定强度与韧性的玉米秸秆纤维在混合料中展现出了更好的桥接与加筋作用，并且可以更好地粘附于沥青混合料之中。

2.2 低温抗裂性

低温抗裂性能的评测采用温度为-10℃、单点加载的小梁弯曲试验，试验仪器选用SANS万能试验机，试验时的加载速率为50 mm/min。=类沥青混合料的试验结果如表7和图2所示。

由表7和图2可知，相比于未掺纤维试件，掺入木质素纤维与玉米秸秆纤维后的试件，其低温破坏应变均得到了显著提升，低温抗裂性能优异，远远满足规范要求。其中掺木质素纤维试件的低温破坏应变提高了23. 6%，掺玉米秸秆纤维试件的低温破坏应变提高了20. 3%，表明玉米秸秆纤维对低温稳定性的增强效果与木质素纤维相近。分析玉米秸秆纤维增强低温抗裂性能的原因可知，具备较好长径比与抗拉强度的短切玉米秸秆纤维表面粗糙，便于与沥青粘附，并同时交错分布在沥青混合料中形成桥接与加筋作用，由此增强了低温下混合料的柔韧性，具有较好的低温抗裂性能。

2.3 水稳定性

根据配合比设计制备三类沥青混合料的马歇尔试件，分别进行冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验，试件的制备及试验方法严格参照相关规范标准[9]。试验结果如表8及图3所示。

由表8及图3可知，相比于未掺纤维的试件，掺入木质素纤维与玉米秸秆纤维后的两类试件，其冻融劈裂强度比与残留稳定度均得到了显著提升，水稳定性能优异，远远满足规范要求。其中掺木质素纤维试件的冻融劈裂强度比与残留稳定度分别提高了4.5%、4. 8%;掺玉米秸秆纤维试件的冻融劈裂强度比与残留稳定度分别提高了4.1%、4. 5%。这表明玉米秸秆纤维对水稳定性能的增强效果与木质素纤维相近。分析玉米秸秆纤维增强水稳定性能的原因可知：（1）玉米秸秆纤维掺入后有效地增强了沥青的黏度，并且在混合料空间中构筑了严密的加筋网络;（2）油石比会随着玉米秸秆纤维的掺入而提高，由此加强矿料表面的沥青厚度，增强了矿料与沥青的结合力;（3）玉米秸秆纤维掺入后可有效延缓裂缝的扩展与出现。因此，试验结果及分析表明玉米秸秆纤维可对水稳定性能的增强发挥一定作用。

3 工程应用

3.1 工程概况

某新建一级公路工程，设计为双向四车道，具体路面结构见图4。选取重载交通量较大的K362+543～K362+ 743段作为试验路段，其上面层采用玉米秸秆纤维混合料进行路面铺筑，施工现场材料选择及配合比设计均与室内试验相同，玉米秸秆纤维的最佳掺量取0.3%。施工过程中对施工质量进行了严格控制，施工结束后对试验路段进行了相应的验收检测，通车后三年内对该路段进行了持续的观测。

3.2 施工要点

主要施工流程可参考规范中[8]规定的纤维改性沥青混合料现场施工工艺进行，但应注意如下施工阶段中的不同点与控制要点。

（1）玉米秸秆纤维制备

采用湿法打散工艺，玉米秸秆的破碎采用刀片式粉碎机。首先将玉米秸秆浸泡2～4 h，然后采用切割机将秸秆切成8～10 mm的碎段投入粉碎机中进行粉碎，粉碎时间应≤2 min。最后将粉碎后的秸秆进行烘晒至表面干燥状态并筛分。具体制备流程为：秸秆取芯取皮一浸泡一破碎一烘干一筛分。

（2）拌和

先投入矿料，再投入相应掺量的玉米秸秆纤维干拌8～10 s，然后再加入沥青湿拌45～55 s。

（3）摊铺与压实

相比于一般矿料纤维，玉米秸秆纤维密度较小且韧性较强，压实时宜相应提高压实功以增加密实度。

（4）温度

施工各阶段的温度控制可参考表9进行。

3.3 现场性能检测

施工现场在混合料出料后对其进行随机抽样，制备相应的试件进行试验检测。随机抽样检测结果如表10所示。

表10抽样检测结果表明，施工现场所拌混合料相关性能均优于室内试验，路用性能优异。

试验路段K362+ 543～K362+ 743段铺筑完成后，每隔20 m对其钻芯取样3个，进行验收检测，结果取平均值。验收检测结果如表11所示。

表11表明，该试验路段各项验收检测结果较好地满足规范要求[8]，施工质量优异。

3.4 持续观测与评价

该新建一级公路于201 6年2月建成并全线通车。通车三年内，试验路段K362+ 543～K362+ 743段作为承接城市道路的门户，交通量大、重载交通较多、行车荷载复杂，并且三年内该地区经历了较为不利的冻融循环天气。持续观测结果表明，该采用玉米秸秆纤维进行沥青路面上面层铺筑的试验路段，在通车三年内路面平整度高，无车辙病害及明显裂缝产生，使用性能优异，可对其进行推广应用。

4 结语

（1）普通沥青混合料在掺入0.3%玉米秸秆纤维后，其动稳定度提高了30.8%，低温破坏应变提高了20.3%，冻融劈裂强度比与残留稳定度分别提高了4.1%、4. 5%，路用性能优异。

（2）相比于木质素纤维改性沥青混合料，普通沥青混合料在掺入0.3%玉米秸秆纤维后，其高温稳定性优于前者，低温抗裂性和水稳定性能与前者相当。

（3）本文提出了施工现场玉米秸秆纤维的湿法制备工艺，主要流程为：秸秆取芯取皮一浸泡一破碎一烘干一筛分。

（4）工程应用实例表明：采用玉米秸秆纤维进行沥青路面上面层铺筑的试验路段，在通车三年内路面平整度高，无车辙病害及明显裂缝产生，实际使用性能优异，可对其进行推广应用。

参考文献

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[9]JTG E20 - 2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程 [S].

作者简介：黄小夏（1991-）.助理工程师，研究方向：道路工程设计。