陳開群，禤煒安，李祖仲，何廷全

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團(tuán)有限公司；3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室；4.高等級公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心；5.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院)

1 引言

瀝青瑪蹄脂碎石SMA由于其優(yōu)異的高溫、低溫、水穩(wěn)等路用性能,目前在道路路面中廣泛應(yīng)用，逐漸成為道路設(shè)計者推崇的路面材料之一。為達(dá)到優(yōu)異的路用性能，纖維是其混合料組成必不可少的材料之一，以往SMA瀝青混合料主要摻用的是木質(zhì)素纖維(絮狀或顆粒狀)、礦物纖維。根據(jù)JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》推薦纖維的摻量約為混合料的0.3%，而目前市場上木質(zhì)素纖維的價格參差不齊，其性能質(zhì)量也存在很大差異，其中工程應(yīng)用效果較好的木質(zhì)素纖維價格為8 000～10 000元/t，致使SMA瀝青路面的整體造價較AC類偏高，成為影響SMA大規(guī)模應(yīng)用的重要因素之一；并且隨著中國對環(huán)保力度的不斷加強(qiáng)，資源能源日益緊缺，森林木材急劇減少，迫切需要研發(fā)新型的高品質(zhì)低價路用纖維，降低瀝青路面工程對木質(zhì)素纖維的依賴，推動高質(zhì)量瀝青路面的鋪筑，同時降低工程造價。

甘蔗是中國主要的糖料作物，被廣泛應(yīng)用于制糖工業(yè)，制糖尾料——蔗渣的產(chǎn)出量為食糖的2～3倍，數(shù)量非常龐大，高附加值利用途徑成為未來的發(fā)展重點。蔗渣含有豐富的生物質(zhì)能，纖維素和半纖維素含量較高，木質(zhì)化程度較高，通過有效的物理加工和化學(xué)改性，將蔗渣開發(fā)成路用纖維具有巨大的潛能。國外對蔗渣纖維的提取改性技術(shù)進(jìn)行了研究，但關(guān)于蔗渣纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用則鮮有報道。如Hassan等研究酯化后蔗渣復(fù)合材料的空間穩(wěn)定性和力學(xué)性能，并分析了蔗渣纖維復(fù)合材料的熱塑性；Brugnago等采用蒸氣爆破與堿處理聯(lián)用技術(shù)改性蔗渣纖維，發(fā)現(xiàn)改性處理后吸水性有所降低；Rodrigues等將蔗渣纖維經(jīng)酯化改性，改性后的蔗渣纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸模量比未改性時提高約13%。中國已有學(xué)者對蔗渣纖維瀝青混合料進(jìn)行了初步研究，獲得了一些技術(shù)成果。何壯彬、覃峰等對SMA瀝青混合料結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了試驗研究，提出了參數(shù)的變化規(guī)律；何壯彬、謝春榮等研究了蔗渣纖維在不同濃度堿溶液處理后的穩(wěn)定性，證明堿溶液濃度對蔗渣纖維的穩(wěn)定性有改善作用；呂鵬、黃瓊念、覃峰從蔗渣纖維瀝青混合料的抗腐蝕性角度，對AC-13、SMA-8的抗腐蝕性評價方法和材料的抗腐蝕性進(jìn)行了深入研究。未來，為推進(jìn)蔗渣纖維規(guī)?；瘧?yīng)用，必須開展更深入的研究，明確蔗渣纖維的加工生產(chǎn)、蔗渣纖維瀝青膠漿特性、混合料設(shè)計、路面施工控制等成套技術(shù)。

該文采用試驗室研發(fā)制備的蔗渣纖維樣品，對比檢測不同類型纖維的性能指標(biāo)。研究蔗渣纖維瀝青膠漿的黏度特性，分析蔗渣纖維瀝青混合料的抗析漏和抗飛散能力，并驗證其高溫、低溫、水穩(wěn)等路用性能，為蔗渣纖維在瀝青路面工程中的推廣應(yīng)用提供參考。

2 試驗材料

2.1 瀝青

試驗所用瀝青為SBS改性瀝青，其性能技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青測試結(jié)果

由表1可知:SBS改性瀝青的各項技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40-2004的相關(guān)要求。

2.2 粗集料

粗集料均采用輝綠巖石料，分為5～10 mm和10～15 mm兩檔，其性能指標(biāo)如表2所示。

表2 粗集料測試結(jié)果

由表2可知:粗集料的各項技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40-2004的相關(guān)要求。

2.3 細(xì)集料

細(xì)集料采用石灰?guī)r加工，粒徑范圍為0～3 mm，其性能指標(biāo)如表3所示。

表3 細(xì)集料測試結(jié)果

由表3可知:細(xì)集料的各項技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40-2004的相關(guān)要求。

2.4 礦粉

礦粉采用石灰?guī)r碎石加工，其主要性能指標(biāo)試驗結(jié)果如表4所示。

表4 礦粉測試結(jié)果

由表4可知:礦粉的各項技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40-2004的相關(guān)要求。

2.5 纖維

試驗采用3種不同類型的纖維進(jìn)行對比試驗，其中蔗渣纖維自研制備，JRS顆粒狀木質(zhì)素纖維、絮狀木質(zhì)素纖維均為工程中常用的兩種纖維。

(1)蔗渣纖維SEM圖譜

對蔗渣纖維的微觀圖譜進(jìn)行SEM掃描分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 蔗渣纖維SEM圖像

通過SEM電鏡掃描可以看出:蔗渣纖維為枝條狀，表面呈現(xiàn)出凸起和條帶狀紋理。粗糙的纖維表面搭接成的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，凸起和條帶狀紋理對瀝青也有一定程度的穩(wěn)定作用。圖1清晰地展現(xiàn)出蔗渣纖維除了凸起和條帶狀紋理外，內(nèi)部存在大量多孔蜂窩狀微組織，這些微孔對瀝青有良好的吸附性?？梢娬嵩w維對瀝青混合料的改性既存在加筋作用，也存在瀝青吸附作用。

(2)纖維基本性能檢測

3種纖維樣品的主要性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表5所示。

表5 纖維測試結(jié)果

由表5可知：蔗渣纖維的吸油率、耐熱性等各項性能指標(biāo)均滿足JTG F40-2004的相關(guān)要求，而絮狀木質(zhì)素纖維的含水率為6.7%，超出了不大于5%的規(guī)定。

3 蔗渣纖維瀝青膠漿黏度特性

為研究摻入蔗渣纖維對瀝青膠漿的黏溫特性的影響。研究采用布洛克黏度儀測試分析不同蔗渣纖維摻量和不同溫度條件下瀝青膠漿的黏度特性。

3.1 摻量的影響作用

結(jié)合工程經(jīng)驗SMA-13常用的油石比為6.0%，而JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》推薦的纖維摻量為不少于瀝青混合料的0.3%，估算相對于瀝青質(zhì)量的纖維摻量為5.0%左右。試驗中取0%、1%、3%、5%、7%、9%幾組摻量進(jìn)行測試，試驗溫度取120、135和165 ℃，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 瀝青膠結(jié)料黏度-摻量變化曲線

由圖2可知：不同試驗溫度條件下，隨著纖維摻量的遞增，瀝青膠漿的黏度均不斷增大，當(dāng)摻量小于7%時，其增幅相對較緩；超過7%時，黏度大幅升高。因此從施工黏度角度出發(fā)，蔗渣纖維摻量不宜過大。蔗渣纖維增大瀝青膠漿的黏度，主要是因為纖維能夠通過搭接形成加筋網(wǎng)絡(luò)，增大瀝青的蠕動阻力，從而表現(xiàn)為黏度增大。摻量較小時，纖維量較少，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不明顯，增黏加筋作用不強(qiáng)；當(dāng)摻量不斷增大，能夠形成三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增黏加筋作用不斷增加。

3.2 溫度的影響作用

以SBS改性瀝青+5%蔗渣纖維為研究對象，SBS改性瀝青為對比參考，測試分析在不同溫度條件下瀝青膠漿的黏度變化規(guī)律。試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出：同一溫度條件下，蔗渣纖維瀝青的黏度均大于SBS改性瀝青；不同的試驗溫度，兩種瀝青膠結(jié)料所表現(xiàn)出的變化規(guī)律一致，隨著溫度的增高，瀝青膠漿的黏度降低。溫度由低升高過程中，蔗渣纖維的黏度曲線經(jīng)歷先急后緩的遞減規(guī)律。即在低溫度范圍內(nèi)，瀝青膠漿的黏度明顯大于高溫度范圍。其主要是因為瀝青是溫感材料，瀝青膠結(jié)料的黏度由自身黏滯性和蔗渣纖維網(wǎng)絡(luò)加筋共同組成。隨著溫度升高，瀝青的可流動性越大，瀝青本身流態(tài)特性對膠結(jié)料黏度起主導(dǎo)作用。當(dāng)溫度由165 ℃升高到180 ℃，瀝青膠結(jié)料的黏度降幅已較為緩慢，明顯小于低溫度范圍。

圖3 瀝青膠結(jié)料黏度-溫度變化曲線

4 蔗渣纖維瀝青混合料路用性能

采用SMA-13級配，相同的礦料級配對蔗渣纖維和木質(zhì)素顆粒纖維的路用性能進(jìn)行對比分析，以驗證蔗渣纖維的實用性。

4.1 礦料級配

根據(jù)各檔礦料篩分結(jié)果，通過計算、調(diào)整、對比，最終確定各原材料的摻配比例為(10～15)mm∶(5～10)mm∶(0～3)mm∶礦粉=39∶37∶14∶10，纖維采用瀝青混合料的0.3%，SMA-13礦料級配曲線如圖4所示。

圖4 SMA-13礦料級配設(shè)計曲線

根據(jù)馬歇爾試驗方法，通過對比不同油石比下混合料的體積參數(shù)、力學(xué)特性及肯塔堡析漏、謝倫堡分散試驗等，確定蔗渣纖維、絮狀木質(zhì)素纖維、顆粒木質(zhì)素纖維瀝青混合料的最佳油石比分別為6.0%、6.2%、5.9%。

4.2 析漏試驗

試驗中對3種纖維在不同油石比條件下的析漏試驗進(jìn)行了測試，油石比取5.2%、5.6%、6.0%、6.4%、6.8%，析漏損失率的變化曲線如圖5所示。

圖5 析漏損失率的變化曲線

由圖5可以看出：蔗渣纖維瀝青混合料的析漏損失率變化規(guī)律與木質(zhì)素纖維同樣遵循以下規(guī)律，油石比越大，析漏損失率越大。相同油石比時，顆粒纖維的析漏損失率最大，蔗渣纖維次之，絮狀纖維最小。這與纖維的吸油率特性密切相關(guān)，吸油率越高，表明纖維吸附瀝青的能力越強(qiáng)，在油石比一定的條件下，其自由瀝青越少，混合料的析漏損失必然越小。如試驗中的3種纖維，絮狀木質(zhì)素纖維的吸油率最大，在6.0%油石比條件下，其析漏損失率越小。

4.3 飛散試驗

為驗證蔗渣纖維不同油石比瀝青混合料的抗飛散能力及其與木質(zhì)素纖維的對比，測試了3種纖維不同油石比的飛散損失，結(jié)果如圖6所示。

圖6 飛散損失率變化曲線

由圖6可以看出：所測試的5組油石比條件下瀝青混合料的飛散損失率均小于15%，表明在纖維的加筋作用下，瀝青混合料的抗飛散能力均滿足規(guī)范要求。隨著油石比的增大，飛散損失率均減小。同一油石比時，飛散損失率由大到小的排序為絮狀木質(zhì)素纖維、蔗渣纖維、顆粒木質(zhì)素纖維，由此表明同一油石比時顆粒木質(zhì)素纖維的抗飛散能力最強(qiáng)，蔗渣纖維次之，絮狀木質(zhì)素纖維較弱。

4.4 路用性能驗證

對3種纖維瀝青混合料在最佳油石比條件下的路用性能進(jìn)行驗證，其馬歇爾穩(wěn)定度、高溫性能、水穩(wěn)性能和低溫性能測試結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 馬歇爾穩(wěn)定度測試結(jié)果

圖8 動穩(wěn)定度測試結(jié)果

圖9 殘留穩(wěn)定度測試結(jié)果

圖10 低溫彎曲應(yīng)變測試結(jié)果

由圖7～10可以看出：蔗渣纖維瀝青混合料高溫動穩(wěn)定度超過8 000次/mm，殘留穩(wěn)定度大于90%，低溫彎曲應(yīng)變大于3 000 με，各項路用性能均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求。蔗渣纖維瀝青混合料的各項路用性能與絮狀或顆粒狀木質(zhì)素纖維基本保持在相同的水平，相差不大。由此可知，蔗渣纖維可應(yīng)用于路用瀝青混合料中。

5 結(jié)論

通過對蔗渣纖維瀝青膠漿黏度特性及其瀝青混合料路用性能的研究，可以得到以下結(jié)論：

(1)SEM圖譜顯示蔗渣纖維表面呈現(xiàn)出凸起和條帶狀紋理，有利于搭接成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其良好的加筋作用；內(nèi)部大量多孔蜂窩狀微組織可提高對瀝青的吸附能力。蔗渣纖維的吸油率、耐熱性等各項性能指標(biāo)均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，表現(xiàn)出較好的技術(shù)性能。

(2)隨著蔗渣纖維摻量的遞增，瀝青膠漿的黏度均不斷增大，7%摻量是瀝青膠結(jié)料黏度的分界點，大于7%時，黏度顯著升高。蔗渣纖維通過搭接形成三維加筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增大瀝青的蠕動阻力。

(3)溫度越高，蔗渣纖維瀝青膠結(jié)料的黏度越小。溫度由低升高過程中，蔗渣纖維的黏度曲線經(jīng)歷先急后緩的遞減規(guī)律。瀝青膠結(jié)料的黏度由瀝青自身黏滯性和蔗渣纖維的網(wǎng)絡(luò)加筋作用共同組成。隨著溫度升高，瀝青的可流動性越大，瀝青本身流態(tài)特性對膠結(jié)料黏度起主導(dǎo)作用。

(4)3種纖維樣品均呈現(xiàn)同一規(guī)律，油石比越大，析漏損失率越大，飛散損失率越小。相同油石比時，顆粒纖維的析漏損失率最大，蔗渣纖維次之，絮狀纖維最小；抗飛散能力顆粒木質(zhì)素纖維最強(qiáng)，蔗渣纖維次之，絮狀木質(zhì)素纖維較弱。

(5)蔗渣纖維瀝青混合料高溫動穩(wěn)定度超過8 000次/mm，殘留穩(wěn)定度大于90%，低溫彎曲應(yīng)變大于3 000 με，表現(xiàn)出良好的路用性能，從技術(shù)層面看，蔗渣纖維可應(yīng)用于路用瀝青混合料中。