蔗渣与椰糠作为沥青混合料填料适用性研究

秦 华,时兰鹤，赵文明

(1.郑州路桥建设投资集团有限公司，河南 郑州 450000；2.郑州市公路事业发展中心，河南 郑州 450000；3.郑州市交通规划勘察设计研究院，河南 郑州 450000)

由于沥青路面较水泥混凝土路面具有较大的建养优势，故在我国大部分高等级公路建设中得到广泛的应用。根据三级胶浆理论，沥青胶浆是以填料为分散相而分散在高稠度沥青介质中的一种微分散系，填料的性能对沥青胶浆及沥青混合料具有重要影响。现阶段，国内在制备沥青混合料方面仍主要采用传统的石灰岩、矿粉等填料，而许多工业都采用了废弃的天然材料，如各类秸秆、蔗渣、椰糠等，其中也有部分研究者将其运用于沥青改性方面，并研究了其对沥青、沥青混合料的相关影响。考虑到大部分研究仅将其作为改性剂使用，掺量较小，如若能将其替换传统矿粉填料，将可极大提高其利用率，并可有效降低植物废料对环境的污染。

本文以常见的蔗渣与椰糠为研究材料，探讨其作为沥青混合料填料的适用性。首先对其微观形貌与物理指标进行分析，然后研究蔗渣与椰糠作为填料对沥青胶浆黏度的影响，最后探讨其对马歇尔稳定度、水稳定性等路用性能的影响，以期为蔗渣、椰糠的废料利用和沥青混合料的填料选取提供参考。

1 原材料与试验设计

1.1 填料

选取2种矿物岩石研磨加工而成的填料：石灰岩填料、花岗岩填料；2种废弃植物填料：蔗渣、椰糠(见图1)。其中，蔗渣与椰糠填料采用研磨机进行加工，筛分后获得0.075 mm以下部分作为填料使用。4种填料密度测试结果如表1所示。

(a) 蔗渣

表1 不同类型填料密度Tab.1 Densities of different types

由表1可知，蔗渣和椰糠的密度分别为0.38、0.29 g/cm，远低于石灰岩和花岗岩的密度分别为2.62、2.58 g/cm；废弃植物填料的密度约为矿质填料的1/7～1/10。

采用扫描电子显微镜(SEM)对4种填料进行微观结构观察，测试结果如图2所示。

(a)石灰岩填料

从图2可以看出，椰糠和蔗渣填料颗粒的微观表面纹理相似，均呈片状；而石灰石和花岗岩填料颗粒的微观表面纹理较为粗糙。椰糠、蔗渣和石灰石填料的形状比花岗岩填料的棱角性更明显，黄岗岩颗粒整体较为圆滑。根据SEM比表面积测试结果(见表2)，石灰石、蔗渣和椰糠3种填料的的比表面积大小相近，且比花岗岩比表面积大50%以上。

表2 通过扫描电镜成像估算表面积Tab.2 The surface area estimated by SEM imaging

1.2 沥青混合料

沥青采用70#基质沥青，相关试验指标如表3所示。混合料类型采用传统的AC-13混合料。

表3 70#基质沥青主要技术指标Tab.3 Main technical indicators of matrix asphalt 70#

一般地，沥青混合料粉胶比(填料与沥青含量之比)宜控制在0.6～1.6。该比值可按等体积法进行换算，根据常用矿粉与沥青密度相关关系，换算后填料体积与沥青体积之比约为20%～60%。由于蔗渣与椰糠填料密度较低，若按质量法粉胶比进行控制，会造成填料掺量过大。因此后续研究中采用等体积法进行计算，即采用等体积植物纤维填料替代等体积矿质填料的计算方法。

1.3 沥青与沥青混合料试验

为研究填料对沥青黏度特性影响，初选占沥青体积比20%与40%蔗渣与椰糠填料进行表观黏度试验，每个试样进行3次平行试验。采用布洛克费尔德黏度计(RV)进行表观黏度测试，试样质量为(10±0.5)g，扭矩保持在(100±3)%。为研究转速对沥青黏度的影响，采用不同试验转速进行分析：20、40、60、80、100、150、200 r/min。

沥青胶浆制备过程为：①加热沥青至160 ℃左右备用；②加入设计比例蔗渣或椰糠填料，在转速为1 000 r/min高速剪切机中搅拌1 h。初步探索性试验显示，当蔗渣与椰糠体积掺量为40%时，掺量过大，剪切较为困难，填料难以融入沥青，故后续不进行该掺量相关试验。

1.4 蔗渣和椰糠填料沥青混合料性能评价

为控制其他参数对沥青混合料性能影响，通过基质沥青确定最佳油石比，其余各填料采用与其一致的油石比进行沥青混合制备，油石比为5.0%。但考虑填料对胶浆黏度的影响，试验采用不同的拌和与击实温度，确定了沥青混合料试件制备温度组合。

(1)条件1(不考虑胶浆黏度)：拌和温度为(155±3)℃；击实温度为(142.5±2.5)℃；

(2)条件2(考虑胶浆黏度)：拌和温度为黏度在(0.17±0.02)Pa·s 时对应温度；击实温度为黏度在(0.28±0.03)Pa·s 时对应温度。

试验根据《沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E 20—2011)进行沥青混合料稳定度试验、冻融劈裂试验、高温车辙试验以及低温小梁弯曲试验。

2 蔗渣与椰糠对沥青胶浆黏度影响

根据三级胶浆理论，沥青胶浆作为沥青混合料重要组成成分，对混合料性能具有决定性影响。其中，黏度作为沥青胶浆重要指标，对沥青混合料力学性能及施工和易性起着重要作用。为确定合适的废弃作物填料替代掺量，采用黏度法对沥青胶浆进行研究。为验证低掺量沥青胶浆在高温条件下是否为牛顿流体，对不同剪切速率下的胶浆黏度进行了测试。图3为不同填料沥青胶浆在150、170 ℃ 2个温度条件下黏度试验结果，其中图3为沥青胶浆黏度与剪切速率之间关系。

图3 不同填料胶浆黏度与剪切速的关系Fig.3 Relationship between viscosity and shear speed of different packing slurry

由图3可以看出，低填料掺量(20%)下，沥青胶浆在温度150～170 ℃内呈现牛顿流体特性。在同一温度条件下，随剪切速率变化，沥青胶浆几乎为一定值，呈现典型牛顿流体力学特性。这是由于随着温度升高，沥青由粘弹性体向牛顿流体转变，其当填料掺量较低时，并为改变其牛顿流体特性。同时，可推测当温度超过170 ℃时，低填料掺量(20%)沥青胶浆仍可呈现牛顿流体特性。

对基质沥青、20%掺量条件的4种沥青胶浆进行黏度测试，剪切速率取20 r/min、温度为150～180 ℃条件测试结果如图4所示。

图4 不同温度下沥青及沥青胶浆黏度Fig.4 Bitumen and asphalt glut viscosity at different temperatures

(1)掺加填料后沥青胶浆黏度增加。在半对数坐标中，沥青或沥青胶浆黏度对数与温度呈线性关系，比较4种沥青胶浆黏度与基质沥青黏度，胶浆黏度显著大于基质沥青。这是由于加入填料后，填料吸附沥青形成容重更大的沥青胶浆，增加了黏度计测试转子的运动阻力，表现为黏度增大；

(2)在相同掺量(20%)条件下，椰糠和蔗渣沥青胶浆在各温度条件下的黏度均与石灰岩胶浆黏度相近。在温度150～180 ℃条件下，椰糠、蔗渣和石灰岩填料的沥青胶浆黏度分别为0.417～0.467、0.283～0.316、0.207～0.223和0.150～0.173 Pa·s。而花岗岩填料沥青胶浆黏度较低，黏度为0.11～0.33 Pa·s。这一结果可以通过填料的微观形貌来解释，由SEM图可看到，花岗岩填料颗粒比其他填料更圆润，表面微观纹理最少，这与文献[12]的研究结论一致。

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40—2004)要求，基质沥青混合料拌和与压实温度一般采用沥青黏度进行确定。其中，以(0.17±0.02)Pa·s对应温度为混合料拌和温度，以(0.28±0.03)Pa·s为混合料压实温度。为研究不同填料对沥青混合料作业温度的影响，参照基质沥青拌和温度确定标准，以上述2个黏度范围确定各沥青胶浆拌和与压实温度，计算结果如表4所示。

表4 不同沥青或沥青胶浆拌和与压实温度Tab.4 Different asphalt or asphalt cement slurry mixing with the compaction temperature

从表4可以得知，采用沥青胶浆进行拌和与碾压温度确定时，应考虑填料对沥青黏度变化的影响。相比基质沥青，掺加填料的沥青胶浆拌和与压实温度提高了10～24 ℃；相比石灰岩沥青胶浆，椰糠与蔗渣填料略微增大了拌和与碾压温度，花岗岩沥青胶浆降低了拌和与碾压温度约10 ℃。因此，若以沥青胶浆和易性确定沥青施工温度时，添加20%蔗渣与20%椰糠的沥青胶浆施工温度应与20%掺量石灰岩填料相当；而掺加花岗岩填料时，施工温度则可显著降低。

3 蔗渣与椰糠填料对沥青混合料性能影响

根据试验设计方案，对相同试验温度、根据沥青黏度确定试验温度的2种试验条件分别进行沥青混合料性能试验。

3.1 马歇尔稳定度试验

分别按前述2个不同试验温度条件进行沥青混合料马歇尔试件制备，其中在条件1(按基质沥青黏度确定试验温度)下沥青混合料稳定度试验结果如表5所示。

表5 马歇尔稳定度试验结果(条件1)Tab.5 Marshall stability test results (Condition 1)

从表5可以得知，椰糠填料混合料稳定性最高为9.66 kN，对应流值为2.77 mm；蔗渣混合料的稳定性最低为8.69 kN，对应流值为2.62 mm。《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40—2004)规定，高等级公路稳定度应不小于8 kN，流值为2～4 mm，上述所有试样均满足限定要求。

根据表4确定的试验温度进行沥青混合料拌和与击实，在条件2(按沥青胶浆黏度确定试验温度)下沥青混合料稳定度试验结果如表6所示。

表6 马歇尔稳定度试验结果(条件2)Tab.6 Marshall stability test results (Condition 2)

从表6可以得知，椰糠填料混合料稳定性仍最高为11.21 kN，对应流值为3.33 mm；蔗渣混合料的稳定性仍最低为9.21 kN，对应流值为3.321 mm；表明提高沥青混合料试验温度后，马歇尔稳定度与流值变化趋势仍然保持不变。对比2个条件下马歇尔试验结果，稳定度与流值均增大；其中，稳定度增大表明沥青混合料抗变形能力增强，流值增大则是由于有混合料可承受弹性变形形变能力增强。

3.2 路用性能

水稳定性

为研究不同填料沥青混合料水稳定性，采用表6“条件2”中确定的试验温度进行沥青混合料拌和与击实，冻融劈裂强度比(TSR)试验结果如图5所示。

图5 不同填料沥青混合料冻融劈裂强度比Fig.5 Freeze-thaw split strength ratio of different filled asphalt mixture

由图5可以看出，对比不同填料混合料TSR值，按大小排序依次为：石灰岩、蔗渣、椰糠、花岗岩。除花岗岩填料沥青混合料外，沥青混合料试件TSR值均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)(下称《施工规范》)规定大于等于75%要求。表明蔗渣与椰糠作为沥青混合料填料时可使其水稳定性满足要求，具有工程应用的潜质。但花岗岩填料TSR值仅为72%，不符合规范要求；这可能是由于黄岗岩为酸性集料，与沥青粘附性差，若将其替代传统石灰岩矿粉，可能会导致水损害。

高温稳定性

采用表6“条件2”中确定的试验温度进行沥青混合料拌和与击实，成型车辙板试件进行高温车辙试验，试验结果如图6所示。

图6 不同填料沥青混合料动稳定度Fig.6 Dynamic stability of different fill asphalt mixture

由图6可知，高温稳定性试验结果表明，蔗渣与椰糠填料对应混合料高温稳定性显著小于2种矿质填料制备的混合料，表明替换部分矿质填料后会导致高温稳定性呈现一定下降趋势。但所有试样均满足《施工规范》对夏炎热地区动稳定度大于等于1 000 次/mm的要求。

低温稳定性

采用表6“条件2”中确定的试验温度进行沥青混合料拌和与击实，成型车辙板试件后切割制备成小梁试件，并进行小梁弯曲试验，试验结果如图7所示。

图7 不同填料沥青混合料低温破坏应变Fig.7 Low-temperature damage strain of different filling asphalt mixtures

由图7可知，低温弯曲试验结果表明，蔗渣与椰糠填料对应混合料低温性能较传统石灰岩填料对应混合料低，但较花岗岩填料对应混合料高。同时，由表中标记可看到，蔗渣与椰糠作为填料制备的混合料可以满足《施工规范》对严寒区低温性能要求。其中，花岗岩填料对应破坏应变最小，表明花岗岩作为填料使用时，会对各项路用性能产生影响，如需使用应进行全面评估。综合路用性能可知，蔗渣与椰糠可作为填料在沥青混合料中推广使用。

4 结语

(1)在20%的填料掺量下(占沥青体积比)，椰糠和蔗渣填料的沥青胶浆黏度与石灰石填料的胶浆黏度相当；

(2)相比传统的基于沥青黏度施工温度确定方法，基于沥青胶浆黏度的试验温度确定方法具有更好的科学性，对应混合料稳定度得到显著提升；

(3)椰糠和蔗渣填料对应沥青混合料稳定度、冻融劈裂强度比、动稳定度均符合规范要求，低温破坏应变符合冬寒区限定要求。表明椰糠和蔗渣作为沥青混合料填料具有良好的潜在性能。