玉米秸秆纤维在多空隙沥青混合料中的应用

梁若翔 孟勇军

【摘要：】为研究玉米秸秆纤维在多空隙沥青混合料中的应用，文章基于玉米秸秆纤维的微观机理，参考OGFC-10和NovaChip Type-B型的级配范围，进行玉米秸秆纤维多空隙沥青混合料的专用级配设计，并采用谢伦堡析漏试验、肯塔堡飞散试验检验配合比设计，得出专用的设计级配，符合要求后再进行车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及渗水试验，对比分析掺加玉米秸秆纤维的沥青混合料和不掺加玉米秸秆纤维的沥青混合料的路用性能。结果表明：掺加0.3%玉米秸秆纤维的多空隙沥青混合料高温稳定性和水稳定性均得到了提高，透水性能满足预期的要求。

【关键词：】玉米秸秆纤维;多空隙沥青混合料;微观研究;路用性能

U416.03A030074

0 引言

近几年，从废物利用和绿色环保的角度出发，学者们开始研究将农作物秸秆和路用纤维联系到一起，既解决了农作物被就地焚烧污染环境的问题，又解决了资源浪费的问题，还能提高沥青混合料的路用性能。目前，对农作物秸秆纤维的研究不多，主要有玉米、西红柿、棉、高粱等农作物秸秆纤维。李巍巍[1]研究表明棉秸秆纤维可以提高沥青混合料的高温稳定性和低温开裂性。李振霞等[2]研究表明添加玉米秸秆纤维的沥青混合料高低温性能、黏度、水稳定性都得到提高。段绍帆等[3]制取了高粱秸秆纤维和西红柿秸秆纤维，得出农作物秸秆纤维沥青混合料的稳定度、流值指标接近使用了木质素纤维的沥青混合料，并且具有很好的高温稳定性。Xue Qiang等[4]研究表明秸秆复合纤维的耐热性、吸油性、剪切性能均优于木质素纤维。Ji Ming Yin等[5]研究得出稻草秸秆纤维提高了沥青混合料的抗折强度、动稳定度、抗车辙性能。Jingyi Liu等[6]研究了棉秸秆纤维沥青混合料的性能，表明棉秸秆纤维改善了沥青混合料的高温稳定性、低温性能以及水稳定性。

农作物秸秆纤维作为一种天然的植物纤维，含有大量木质纤维素，是天然的植物纤维，既能够再生，又能够降解。目前对于秸秆纤维的研究和应用主要集中在密实型沥青混合料（AC、SMA），而在多空隙沥青混合料中的研究还很少。为此，本文通过对农作物秸秆进行加工，制备秸秆纤维材料，分析其宏观和微观机理，研究其在多空隙沥青混合料应用中的可行性。

1 玉米秸秆纤维的制备及微观研究

本次研究的秸秆纤维为玉米秸秆纤维。从玉米秸秆中提取纤维采用机械破碎法，其基本制备工艺流程为：将玉米秸秆表皮和杆芯剥离，然后将秸秆的表皮放入水中浸泡至充分饱满，接着通过机械对秸秆进行破碎，最后将秸秆进行烘干和筛分处理。

1.1 玉米秸秆的预处理

让玉米秸秆在自然干燥状态下进行风干，摘除叶片之后进一步将皮和芯分开，对玉米秸秆的表皮进行浸泡然后烘干，将其作为玉米秸秆纤维的原材料。

1.2 玉米秸秆纤维的制取

由于玉米秸秆纤维的制取不以吸水率来进行衡量，浸泡时间为4 h时提取率和吸油倍数达到最优[2]，所以，将玉米秸秆表皮浸泡4 h后剪成10±2 mm长度进行破碎，然后烘干制备成所需要的玉米秸秆纤维。

1.3 玉米秸秆纤维的微观机理

将制取的玉米秸秆纤维在扫描电镜下进行观察，研究其微观机理，分析玉米秸秆纤维对沥青以及沥青混合料的作用。采用飞纳Phenom ProX台式扫描电镜，在放大2 000倍的条件下进行观察。观察的结果显示：多个玉米秸秆纤维紧挨在一起，单个玉米秸秆纤维的直径非常小，约为40 μm左右，所以玉米秸秆纤维的长径比和比表面积都比较大，在掺加到沥青混合料中时，能够吸附更多的沥青，使其更好地和沥青结合。

玉米秸秆纤维表面凹凸不平，粗糙度大，局部有裂纹和倒刺，在和沥青接触时，玉米秸秆纤维凹凸的地方类似于齿轮咬合一样紧紧地和沥青结合在一起，使其不容易剥离，可提高吸附沥青的强度，增加沥青混合料的内部摩阻力。

2 原材料要求

2.1 高黏改性沥青

多空隙沥青混合料要求采用高黏改性沥青。本文采用中路交建（北京）工程材料技术有限公司生产的高黏度添加剂和SBS改性沥青进行复合改性，高黏度添加剂的掺量比例为8%。具体性能指标见表1。

2.2 玉米秸秆纤维

玉米秸秆纤维的技术指标如表2所示。

2.3 矿料

本文采用的矿料均为广西当地原材料，其中粗集料采用田东县那练村石场生产的5～10 mm辉绿岩粗集料（由于多空隙沥青混合料采用的是间断级配，3～5 mm辉绿岩粗集料不采用）;细集料采用田东县那练村石场（田东县辉绿岩矿业有限责任公司）生产的0～3 mm辉绿岩机制砂;矿粉采用上思县万鑫石场（防城港上思）生产的石灰岩矿粉。粗集料、细集料、礦粉技术指标均符合规范要求。

3 多空隙沥青混合料的设计

3.1 目标空隙率的选择

《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中规定OGFC空隙率为>18%，而NovaChip空隙率一般>10%。结合两者的情况，本次多空隙沥青混合料设计选择的目标空隙率为15%。

3.2 混合料级配的设计

本次研究的玉米秸秆纤维多空隙沥青混合料设计厚度为2 cm，在进行专用级配设计时，综合OGFC-10、NovaChip Type-B型[7]这两种沥青混合料级配的优点，设计一种专用级配。现将三种级配列于表3。

在沥青混合料配合比设计中，根据空隙率来确定级配的选取，2.36 mm筛孔通过率直接影响沥青混合料的空隙率。按照设计的专用级配范围，调试3种不同的混合料进行级配的选择，分别是级配A、级配B、级配C，3种矿料级配的2.36 mm通过率分别为22.0%、19.5%以及17.8%。具体如表4所示。DDB5BFBB-AB41-4D68-91F7-85CE8967C92B

按油石比6.5%制作马歇尔试件，测定VV、VMA和VFA等体积指标。测试结果见表5。

由于本次配合比设计选择的目标空隙率为15%，故选取级配B为本次目标配合比设计的混合料级配。

3.3 最佳油石比的确定

玉米秸秆纤维的掺加比例参考《公路沥青路面施工技术规范》（JIG F40-2004）中关于SMA路面的木质素纤维掺加比例，即0.3%。

（1）纤维掺量为0的沥青混合料最佳油石比的确定

按照0.5%的差值进行增减，设定5个不同的油石比，即5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%，并按上述条件进行成型试验，分别对上述五组试件进行析漏、飞散试验。试验结果见图1。

根据图1的试验结果，选择不掺玉米秸秆纤维的沥青混合料的最佳油石比为6.5%。在最佳油石比为6.5%的条件下，不掺玉米秸秆纤维的沥青混合料的马歇尔试验、析漏试验和飞散试验结果如表6所示。

由表6中的试验数据可知，不掺玉米秸秆纤维的沥青混合料的各项指标均满足技术要求。

（2）纤维掺量为0.3%的秸秆纤维沥青混合料最佳油石比的确定

同样按照0.5%的差值进行增减，设定5个不同的油石比，即5.8%、6.3%、6.8%、7.3%、7.8%进行成型试验，分别对上述五组试件进行析漏、飞散试验。试验结果见图2。

根据图2的试验结果，选择玉米秸秆纤维掺量为0.3%的秸秆纤维沥青混合料的最佳油石比为6.8%。在最佳油石比为6.8%的条件下，掺加0.3%玉米秸秆纤维的沥青混合料的马歇尔试验、析漏试验和飞散试验结果如表7所示。

由表7中的试验数据可知，掺加0.3%玉米秸秆纤维的沥青混合料各项指标均满足技术要求。

4 多空隙沥青混合料的路用性能分析

4.1 高温稳定性试验

对掺加玉米秸秆纤维和不掺加玉米秸秆纤维的沥青混合料分别进行车辙试验，试验结果如表8所示。

由表8可知，在沥青混合料满足技术要求的前提下，玉米秸秆纤维掺量为0.3%的秸秆纤维沥青混合料比不掺加玉米秸秆纤维的常规沥青混合料的动稳定度DS提高了29.1%，说明玉米秸秆纤维使沥青混合料的高温稳定性能得到提高。

4.2 水稳定性试验

对掺加玉米秸秆纤维和不掺加玉米秸秆纤维的沥青混合料进行冻融劈裂试验，检测其水稳定性。试验结果见表9。

由表9冻融劈裂试验结果可知，掺加玉米秸秆纤维和不掺加玉米秸秆纤维的沥青混合料的冻融劈裂强度比都达到规定要求，但是掺加玉米秸秆纤维后的沥青混合料的冻融劈裂强度比明显提高。其主要原因是掺加玉米秸秆纤维后，提高了沥青混合料的油石比，从而增强了矿料和沥青两者间的粘结力;同时，掺加玉米秸秆纤维增强了沥青混合料的抗开裂能力，并在沥青混合料内部形成三维网状结构，类似于钢筋一样，和沥青之间具有良好的粘结效果，减缓裂缝的发展。由于玉米秸秆纤维参与沥青混合料的抗裂，让沥青混合料裂纹扩展时的能量释放率降低，从而减缓裂缝扩展的速率，增强了沥青混合料的水稳定性。

4.3 透水性能检验

由于《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）规定的渗水系数试验方法中，大部分是用来测定AC以及SMA的，而对于透水性沥青混合料来说，渗水仪量筒的试验水量只有400 mL，在空隙率较大的情况下，启动开关时，水面从100 mL下降到500 mL时秒表计时仅有几秒，容易产生误差[8]。为了消除时间过短带来的时间误差，本次渗水系数试验将原来的400 mL测定水量增加到800 mL，即水面从200 mL下降到1 000 mL，同时保持跟原量筒一致的水头高度，消除水头高度不一致对水流速度的影响，充分准确地读取计时时间，提高渗水系数测定的准确性。改造后的渗水仪剖面图如图3所示。

使用改造后的渗水仪进行实验，试验结果如表10所示。

由表10可知，所设计的玉米秸秆纤维多空隙沥青混合料的渗水系数达到了3 911 mL/min，并且也满足《透水沥青路面技术规程》（CJJ/T 190-2012）中OGFC沥青混合料（空隙率为18%～25%）的渗水系数要求（≥3 200 mL/min）。

5 结语

（1）通过玉米秸秆纤维的制备，对其进行微观试验观察，显示玉米秸秆纤维的表面粗糙度大，并且凹凸不平，能够吸附更多的沥青，在增大沥青混合料的内部摩阻力的同时改善了沥青混合料的性能。

（2）通过设计方法的确定、原材料的选择，确定本次的目标空隙率为15%，然后参考OGFC-10和NovaChip Type-B型的级配范围，进行玉米秸秆纤维多空隙沥青混合料的专用级配设计，采用谢伦堡析漏试验、肯塔堡飞散试验检验配合比设计，得出专用设计的级配符合要求。

（3）通过车辙试验、冻融劈裂试验对比分析掺加玉米秸秆纤维的沥青混合料和不掺加纤维的沥青混合料的路用性能，试验结果表明，掺加玉米秸秆纤维的沥青混合料高温稳定性和水稳定性均得到了提高。

（4）通过渗水试验进一步检验所设计的玉米秸秆纤维多空隙沥青混合料的透水性能满足预期的要求。

参考文献：

[1]李巍巍.棉秸秆纤维沥青混合料路用性能研究[D].西安：长安大学，2015.

[2]李振霞，陈渊召，周建彬，等.玉米秸秆纤维沥青混合料路用性能及机理分析[J].中国公路学报，2019，32（2）：47-58.

[3]段绍帆，蒙嘉璐，白 洋，等.农作物秸秆用于制取路用纤维的探索[J].山东化工，2020，49（16）：5-7，10.

[4]Xue Qiang，Liu Lei，Chen Yi-jun.Study on the action effect of pavement straw composite fiber material in asphalt mixture，2013（43）：293-299.

[5]Ji Ming Yin，Sheng Yue Wang，Yin Fei Du.Intensifying the Road Performance of Asphalt Concrete by Matching the Size Distribution of Short-Thin Straw Pieces and Aggregate Framework[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2014（27）：176-184.

[6]Jingyi Liu，Zuzhong Li，Huaxin Chen，et al.Investigation of Cotton Straw Fibers for Asphalt Mixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2020，32（5）：1-9.

[7]宋 陽.Novachip超薄磨耗层在高速公路预防性养护中的应用研究[D].广州：华南理工大学，2016.

[8]徐陆军.透水沥青混合料渗水性能的试验研究[D].青岛：青岛理工大学，2018.DDB5BFBB-AB41-4D68-91F7-85CE8967C92B