麦秸秆增强沥青混合料性能及机理研究

尹继明，王声乐

(1.扬州科技学院 土木工程学院，江苏 扬州 225009； 2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096)

0 引 言

在公路建设中，90%以上是沥青路面。这得益于沥青路面的诸多优点，比如表面平整、无跳车、噪声小、行车舒适、耐磨、施工周期短、养护维修简单、适宜于分期修建等[1]。但随着交通量的迅速增加和沥青的老化，沥青路面的早期病害，如车辙、开裂、坑槽、剥落等，也随之产生[2]。解决上述问题的主要方法是在沥青中添加增强剂以及使用改性沥青[3-4]。

近年来，有许多研究者将纤维添加至沥青混合料中以提高路用性能[5]，比如玻璃纤维[6]、玄武岩纤维[7]、聚酯纤维[8]、聚丙烯纤维[9]、尼龙纤维[10]、木质素纤维[11]等。一方面，这些纤维的添加不同程度地提高了沥青混合料的高低温性能；另一方面，纤维自身的缺陷又限制了它们的应用推广。比如玻璃纤维易脆裂，非降解[12]；玄武岩纤维价格昂贵，易抱团[13]；聚酯纤维、聚丙烯纤维、尼龙纤维等化工纤维，与沥青混合料搅拌时容易缠绕，分散性差；木质素纤维在沥青混合料中同样很难分散，易抱团，只起到吸油、稳定沥青的作用。因此，寻找一种价格低廉、强度高、韧性强、易分散的添加剂势在必行。

图1 麦秸秆片制备过程

在农业方面，农作物秸秆的传统用途主要是：焚烧后还田作肥料，干储作燃料，青贮或微储作饲料，或工业用作为造纸原料。据统计，目前的应用中焚烧占27%，造肥还田占38%，作燃料约占17%，作饲料约占14%，其他占4%。随着农业生产方式转变和农村生活条件改善，秸秆出现季节性、地区性、结构性过剩，大量秸秆得不到收集利用。秸秆随意抛弃、焚烧现象严重，不仅污染大气环境，酿成交通事故，危害人民群众生命财产安全，而且破坏农田生态环境，降低土壤肥力。“秸秆污染”问题已引起国家的密切关注，国家环保总局颁布《秸秆禁烧和综合利用管理办法》，明令禁止在机场、铁路、高速公路，以及国道、省道公路干线附近焚烧秸秆。尽管政府及相关部门依法加强检查与督办，但秸秆焚烧屡禁不止，其原因不在于农民的焚烧意识，而是找不到秸秆回收利用的出路。因此，解决秸秆废弃和焚烧问题的根本措施，是开展以秸秆利用技术创新为核心的科学研究，开辟新的资源化利用途径，促进秸秆利用效率和效益的提高。将秸秆应用于化工、建筑、纺织等领域，开发高性能、环境友好的绿色材料，是实现秸秆资源化利用的有效途径之一。

秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成。纤维素属于线性结晶高聚物，内含大量氢键；半纤维素由较短、高分枝的杂多糖链组成，链上连接着数量不等的甲酰基和乙酰基；木质素是以苯丙基为基本结构单元连接而成的高分枝、多分散性高聚物。因此，秸秆是天然的加筋材料，可将其纤维化后用于加固土体和SMA，但秸秆纤维化工艺复杂，也会带来环境污染问题。

本文探寻了一条麦秸秆回收再利用的新途径：将粉碎后的短细麦秸秆片直接添加至沥青混合料中以增强沥青混合料性能。秸秆经粉碎后形成的短细碎片，具有良好的分散性，能够分散于沥青混合料中，形成均匀分布的加筋链。为了考察短细麦秸秆片在沥青混合料中的加筋效果及其用量，本文采用马歇尔设计法和正交试验对麦秸秆沥青混合料配合比进行设计，在此基础上，测试和评价了麦秸秆沥青混合料的高温、低温性能。

1 材料和试验

1.1 麦秸秆及短细麦秸秆片

以当年生的去叶去穗麦秸秆为原料，采用秸秆粉碎机制备麦秸秆碎片，如图1所示。制备过程为：先由人工将麦秸秆均匀、适量地喂入粉碎口，在定刀和旋转刀的作用下，麦秸秆被切成小段，然后在高速振动的锤片的强烈拍击下，麦秸秆迅速被粉碎。在离心力和内置风机产生的风压作用下，被粉碎的麦秸秆碎片经筛孔落入下腔，由风压自输料管道输出。

将粉碎的麦秸秆碎片进行筛分，得到短细麦秸秆片(以下简称“麦秸秆片”)。麦秸秆片的物理、力学性能见表1。

表1表明，麦秸秆片密度小、强度高、黏附力大、耐高温，适合作加筋材料用于沥青混合料中。

1.2 沥青

本文采用中海70#道路石油沥青进行相关试验，其各性能指标见表2。

表1 麦秸秆片的物理、力学性能

1.3 集料及级配

试验所用粗集料为石灰岩质矿料，由扬州润扬路面工程有限公司实验室提供。其中2#料粒径范围为4.75～13.2 mm，3#料粒径范围为2.36～4.75 mm，4#料粒径范围为0～2.36 mm。经取样检测，所用集料均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。集料配合比和级配见表3。

表2 70#道路石油沥青指标

表3 集料级配

1.4 麦秸秆沥青混合料的制备

本试验研究中，油石比分别采用4.5%、5.0%、5.5%，分别以沥青混合料总质量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%为麦秸秆片用量。

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)要求，采用击实法和轮碾法拌制麦秸秆沥青混合料。需要说明的是，为了使麦秸秆片拌合均匀，先将麦秸秆片与粗细集料一起置于拌合机中混合、拌匀，然后再加入沥青。

1.5 马歇尔稳定度相关试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)要求制作马歇尔试件，并测试其密度、空隙率(VV)、间隙率(VMA)、饱和度(VFA)、马歇尔稳定度和流值等指标。

1.6 车辙试验

车辙试验是评价沥青混合料在规定温度(通常为60 ℃)下抵抗塑性流动变形能力的最常用方法，通常用动稳定度来表征沥青混合料抵抗塑性流动变形能力。计算试件变形1 mm所需试验车轮行走次数，即为动稳定度，按式(1)计算。

(1)

式中：DS为沥青混合料动稳定度(次·mm-1)；d1、d2为时间t1和t2时的变形量(mm)；C1为试验机类型修正系数，曲柄连杆驱动试件的变速行走方式为1.0，链驱动试验轮的等速方式取1.5；C2为试件系数，实验室制备的宽300 mm的试件取1.0，从路面切割的宽150 mm的试件取0.8；N为试验轮往返碾压速度，通常为42 m·min-1。

1.7 弯曲试验

按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)要求，先采用轮碾法制作麦秸秆沥青混合料板状试样，然后用切割机将板状试样切割成尺寸为250 mm×30 mm×35 mm的棱柱体小梁，最后将小梁置于Universal Testing Machine(UTM)内加载，加载速率采用50 mm·min-1，直至小梁破坏。整个试验过程保持环境温度为-10 ℃。

按式(2)～(4)计算试件破坏时的抗拉弯强度RB、破坏时的梁底最大弯拉应变εB及破坏时的弯曲劲度模量SB。

(4)

式中：RB为试件破坏时的抗弯拉强度(MPa)；εB为试件破坏时的梁底最大弯拉应变；SB为试件破坏时的弯曲劲度模量(MPa)；b为跨中断面试件的宽度(mm)；h为跨中断面试件的高度(mm)；L为试件的跨径(mm)；PB为试件破坏时的最大荷载(N)；d为试件破坏时的跨中挠度(mm)。

2 结果及讨论

2.1 最佳沥青用量和麦秸秆片掺量

按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的方法确定最佳沥青用量，并按《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)测试麦秸秆沥青混合料的物理指标和力学指标，试验结果见表4。

表4 麦秸秆沥青混合料物理力学指标测试结果

以油石比为横坐标，以马歇尔试验的各项指标为纵坐标，绘制各项指标与油石比的关系曲线(图2)，从而确定符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中沥青混合料技术标准的沥青用量范围。

图2(a)显示，麦秸秆沥青混合料密度随油石比的增加基本呈先增大后减小的趋势，随麦秸秆片掺量的增加而减小。这是因为，麦秸秆片密度较沥青及矿料小，麦秸秆片的添加代替了部分沥青和矿料。对于不同麦秸秆片掺量的沥青混合料，密度最大值对应的油石比均出现在5.1%左右。图2(b)显示，马歇尔稳定度随油石比的增加基本呈增大的趋势，随麦秸秆片掺量的增加基本呈先增大后减小的趋势，最大稳定度对应的油石比为5.2%，麦秸秆片掺量为0.2%。图2(c)表明了满足空隙率技术要求的不同麦秸秆片掺量的沥青混合料油石比范围，其中以麦秸秆片掺量为0.2%、0.3%的沥青混合料油石比范围最大(4.5%～5.5%)，且空隙率均值对应的油石比分别为5.3%、4.8%。图2(e)给出了满足沥青饱和度技术要求的不同麦秸秆片掺量的沥青混合料油石比范围，其中以麦秸秆片掺量为0.3%、0.4%的沥青混合料油石比范围最大(4.5%～5.5%)，且沥青饱和度均值对应的油石比分别为5.0%、4.91%。

综上所述，适宜的沥青用量为5.1%～5.3%，麦秸秆片掺量为0.1%～0.2%。再对照图2(d)、(e)、(f)，油石比、麦秸秆片掺量在上述区间的沥青混合料流值、饱和度及间隙率均能满足规范要求。

图2 沥青用量与马歇尔稳定度试验物理、力学指标的关系

2.2 车辙试验结果

麦秸秆沥青混合料车辙试验结果如表5、图3所示。方差分析见表6。

表6显示，麦秸秆片掺量对动稳定度及车辙深度具有非常显著的影响，油石比对动稳定度及车辙深度有显著的影响。从图3可以看出，动稳定度随着油石比的增加而增大，随着麦秸秆片掺量的增加呈先增加后减小的趋势。动稳定度最大值出现在油石比5.5%、麦秸秆片掺量0.3%附近，达到了2 571 次·mm-1，车辙深度仅为2.515 mm。相较于同等油石比条件下未掺麦秸秆片的沥青混合料，动稳定度提高了43%，车辙深度减小了近44%，表明麦秸秆片的添加有效地提高了沥青混合料的抗车辙变形能力。

表5 车辙试验结果

图3 动稳定度与油石比、麦秸秆掺量变化关系

表6 车辙试验方差分析

这主要是因为，随机分布的麦秸秆片在沥青混合料中形成空间网络，对沥青的流动产生内摩擦阻力，即增加了沥青的黏度。这一点可由爱因斯坦混合律说明，如式(5)所示。

η=ηm(1+KEΦf)

(5)

式中：η为纤维复合沥青的黏度；ηm为沥青的黏度；KE为爱因斯坦系数；Φf为纤维的体积百分数。其中爱因斯坦系数KE与纤维长细比l/d有关。当l/d>1时，KE>2.5。很显然，对于麦秸秆片而言，长细比l/d为7～10，KE为5～6，可知麦秸秆片的添加使沥青的黏度增大了1倍。沥青是典型的黏弹性材料，黏度的增大阻滞了沥青自身的流动，从而使沥青混合料抗剪切变形能力得到增强。

但过量的麦秸秆片进一步加大了沥青混合料的空隙率，破坏了沥青混合料的原有结构，使沥青混合料中骨料间的嵌挤作用变弱，在外荷载作用下，骨料间极易发生相对滑移，且滑移量变大，表现为动稳定度的减小和车辙深度的增大。

2.3 弯曲试验结果

麦秸秆沥青混合料弯曲试验结果如表7和图4、 5所示，方差分析见表8。

由表8可知：油石比对弯曲劲度模量有非常显著的影响，对抗弯拉强度有显著的影响；麦秸秆片掺量对抗弯拉强度有非常显著的影响，对弯曲劲度模量的影响不显著。

表7 弯曲试验结果

图4 抗弯拉强度与油石比、麦秸秆掺量的关系

图5 弯曲劲度模量与油石比、麦秸秆掺量的关系

由图4可知，麦秸秆沥青混合料的抗弯拉强度随着油石比、麦秸秆片掺量的增加均呈先增大后减小的趋势。抗弯拉强度最大值出现在油石比5.0%、麦秸秆片掺量0.1%附近，在-10 ℃条件下达到9.18 MPa，相较于同等条件下未掺加麦秸秆片的沥青混合料，强度值提高了23%。

图5显示，麦秸秆沥青混合料的弯曲劲度模量，随着油石比、麦秸秆片掺量的增加均呈先增加后减小的趋势，最大值出现在油石比为5.0%、麦秸秆片掺量为0.1%附近，达到2 558 MPa，相较于同条件下未掺加麦秸秆片的沥青混合料，模量值提高了42%。

上述现象表明，添加一定量的麦秸秆片提高了沥青混合料的屈服强度和弹性模量，增强了沥青混合料的抗裂性能。这一点可以用短纤维增强复合材料原理来解释。根据混合律模型可得到麦秸秆沥青混合料的弹性模量。

E=EfΦf+Em(1-Φf)

(6)

式中：E为麦秸秆沥青混合料的弹性模量；Ef为麦秸秆片的弹性模量；Em为沥青的弹性模量；Φf为麦秸秆片的体积百分比。

由式(6)可知，麦秸秆沥青混合料的弹性模量与麦秸秆片弹性模量及麦秸秆片的添加量成线性正比关系。因此，麦秸秆沥青混合料的抗弯拉强度及弯曲模量随着麦秸秆片掺量的增加而增大。但随着麦秸秆片掺量的继续增加，沥青混合料的空隙率也随之进一步增大，骨料与沥青间的黏结力减弱，当黏结力的减弱值超过由麦秸秆片增强带来的强度增补值时，沥青混合料的强度将会降低，毕竟沥青混合料的强度和模量最终由骨料的嵌挤作用及骨料与沥青间的黏结作用决定。这也是为什么当麦秸秆片的掺量超过0.2%时，麦秸秆沥青混合料的抗弯拉强度和模量均减小的原因。

3 结 语

本文将粉碎后的麦秸秆片添加至沥青混合料中，采用马歇尔设计法，以油石比和麦秸秆掺量为因素，油石比设4.5%、5.0%、5.5%三个水平，麦秸秆片掺量设0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%五个水平，采用全正交试验确定最佳沥青用量和麦秸秆片掺量，并测试和评价了麦秸秆沥青混合料的高温、低温性能，得到如下结论。

(1)综合考虑油石比和麦秸秆片掺量对沥青混合料密度、孔隙率、饱和度、稳定度、流值、动稳定度、抗弯拉强度等指标的影响，确定最佳沥青用量为5.2%，最佳麦秸秆片掺量为0.2%。

(2)在沥青混合料中添加适量的麦秸秆片，可以增强沥青混合料的抗车辙变形能力和低温抗裂性能。其原因在于，麦秸秆片的添加使沥青的黏度增加，提高了沥青混合料的屈服强度和弹性模量。

(3)将麦秸秆直接粉碎，直接添加至沥青混合料中，可避免秸秆纤维化带来的工艺复杂、环境污染等问题，真正做到化害为利、变废为宝，有望开辟麦秸秆回收再利用的新途径。