水稻秸稈纖維瀝青膠漿高低溫性能及機(jī)理研究

程培峰，張開元，王聰，常志偉

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江省八達(dá)路橋建設(shè)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150006)

纖維的摻加能夠影響瀝青膠漿的高低溫性能[1-6]。黑龍江是農(nóng)業(yè)大省，每年產(chǎn)生的大量水稻秸稈廢料沒有得到有效利用，將秸稈制備成纖維加入到路面材料中，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，可為國家的重點(diǎn)工作“碳達(dá)峰、碳中和”做出貢獻(xiàn)[7-10]。

本文采用實(shí)驗(yàn)室制備的水稻秸稈纖維樣品，在對其物化性能測試的基礎(chǔ)上，對纖維瀝青膠漿進(jìn)行了研究，并與木質(zhì)素纖維進(jìn)行了對比[11-13]，系統(tǒng)分析水稻秸稈纖維對瀝青膠漿性能的改善作用，并應(yīng)用紅外光譜和掃描電鏡實(shí)驗(yàn)從微觀角度進(jìn)一步研究了水稻秸稈纖維的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

瀝青及礦粉技術(shù)指標(biāo)見表1、表2，纖維技術(shù)指標(biāo)見表3，水稻秸稈纖維見圖1。

表1 90#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表3 纖維技術(shù)指標(biāo)

WSY-026數(shù)顯式瀝青針入度測定儀；MCR302型高級旋轉(zhuǎn)流變儀；CANNON TE-BBR低溫彎曲梁流變儀；Nicoletis 50型FTIR儀；JSM-7500F掃描電子顯微鏡。

圖1 水稻秸稈纖維Fig.1 Rice straw fiber

1.2 試樣制備

文獻(xiàn)表明[14]，纖維摻量一般為瀝青混合料總質(zhì)量的0～0.4%左右時，纖維在瀝青混合料中可保證較好的分散效果，因此，經(jīng)計(jì)算纖維占瀝青膠漿的比例應(yīng)為0～4%。通過制備粉膠比為1.2的1%～4%摻量的水稻秸稈纖維瀝青膠漿與3%木質(zhì)素纖維摻量的瀝青膠漿(摻量均為占瀝青膠漿質(zhì)量比例)，分析摻入纖維對瀝青膠漿性能的影響。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

瀝青膠漿的錐入度實(shí)驗(yàn)通過將瀝青針入度儀的標(biāo)準(zhǔn)針換為標(biāo)準(zhǔn)錐進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度為15～40 ℃。在溫度范圍64～82 ℃，溫度間隔6 ℃條件下進(jìn)行溫度掃描實(shí)驗(yàn)，試件直徑25 mm，實(shí)驗(yàn)板間隙(1.000±0.005) mm，加載方式為正弦波，加載頻率為10 rad/s。 在-6，-12，-18 ℃溫度條件下進(jìn)行瀝青膠漿的低溫彎曲實(shí)驗(yàn)，通過加載60 s時，瀝青膠漿的蠕變速率(m)與蠕變勁度模量(S)值對瀝青膠漿的低溫性能進(jìn)行評價。采用紅外光譜進(jìn)行特征官能團(tuán)的分析。對瀝青試樣進(jìn)行掃描電鏡測試，分析纖維在瀝青膠漿中分布情況和作用機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗剪強(qiáng)度結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)得到瀝青膠漿的錐入度，按式(1)計(jì)算抗剪強(qiáng)度。

τ=[981Qcos2(α/2)]/[πh2tan(α/2)]

(1)

式中τ——抗剪強(qiáng)度，kPa；

Q——貫入質(zhì)量，107.6 g；

α——錐角，30°；

h——錐入度，0.1 mm。

抗剪強(qiáng)度結(jié)果見表4。

由表4可知，同一溫度下，摻量水稻秸稈纖維后，膠漿的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)摻量從1%增加到3%時，膠漿的抗剪強(qiáng)度顯著升高，這是由于水稻秸稈纖維的加入可以吸附瀝青，增加膠漿的粘度，纖維在膠漿中搭接成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，抑制了膠漿的塑性流動，增強(qiáng)了瀝青膠漿的高溫抗變形能力，而從3%增加到4%時，其抗剪強(qiáng)度提升并不明顯，這是由于水稻秸稈纖維在膠漿中摻量過大時會出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象，降低了纖維的增韌作用，因此水稻秸稈纖維在膠漿中的合理摻量為2%～3%。在15～40 ℃纖維摻量同為3%的情況下，水稻秸稈纖維瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度平均比木質(zhì)素纖維瀝青膠漿高出了27%，這是由于水稻秸稈纖維的長徑比更大，且韌性強(qiáng)于木質(zhì)素纖維，在膠漿中的增韌穩(wěn)定作用強(qiáng)于木質(zhì)素纖維。

表4 纖維瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度

2.2 高溫流變性能分析

纖維瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G*、車轍因子G*/sinδ及相位角δ結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 不同水稻秸稈纖維摻量的溫度-復(fù)數(shù)剪切模量Fig.2 Temperature-complex shear modulus of different rice straw fiber content

圖3 3種膠漿的溫度-車轍因子與相位角(3%摻量)Fig.3 Temperature-rutting factor and phase angle of three kinds of mortar

由圖2可知，膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量隨纖維摻量的增多而增大,隨溫度的升高而降低。這是由于瀝青膠漿作為一種具有粘彈特性的材料[14]，其變形能力可通過復(fù)數(shù)剪切模量G*(θ)表示，而G*(θ)是由粘度η、彈性模量G及剪切振動頻率θ計(jì)算得到的。根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)原理[15]，膠漿的彈性模量G可表示為:

G=G1α+Gaβ+Gmγ

(2)

式中G1——纖維彈性模量,MPa;

Ga——瀝青彈性模量，MPa；

Gm——礦粉彈性模量，MPa；

α，β，γ——纖維與瀝青及礦粉的體積分?jǐn)?shù)，%。

由此可知，在相同的剪切振動頻率θ下，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量取決于材料的粘度η和彈性模量G，加入纖維后，增加了瀝青膠漿的粘度和彈性模量，使瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量增大，提高了其高溫抗變形能力。

由圖3可知，在纖維用量同為3%的情況下，水稻秸稈纖維膠漿的車轍因子比木質(zhì)素纖維平均高出20.6%，這是由于水稻秸稈纖維具有一定的強(qiáng)度和韌性，其彈性模量大于木質(zhì)素纖維，因此其抗車轍能力大于木質(zhì)素纖維。摻加纖維后，膠漿的相位角δ顯著降低，剪切模量彈性分量增強(qiáng)。水稻秸稈纖維瀝青膠漿的溫度-相位角曲線平均斜率小于木質(zhì)素纖維和無纖維膠漿，說明水稻秸稈纖維瀝青膠漿的溫度敏感性小。

2.3 低溫抗裂性能分析

通過BBR實(shí)驗(yàn)可以得到彎曲蠕變勁度模量S與蠕變速率m值，對瀝青膠漿的低溫性能進(jìn)行評價。瀝青膠漿的S值越小、m值越大，瀝青膠漿的柔性及松弛能力越好。但僅僅采用S、m值評價瀝青膠漿的低溫性能存在局限性，引入低溫系數(shù)(k=S/m)對瀝青膠漿的低溫性能進(jìn)行評價，k值越小，瀝青膠漿的低溫抗裂性越好[16]，不同纖維摻量下瀝青膠漿的BBR實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 不同水稻秸稈纖維摻量下的瀝青膠漿S、m值Fig.4 S and m value of asphalt mortar under different rice straw fiber content

圖5 不同纖維瀝青膠漿的k值(3%摻量)Fig.5 k value of different fiber asphalt mortar

由圖4可知，隨著摻量的增加，膠漿的S值逐漸增加，m值逐漸減小，說明纖維的加入對瀝青膠漿的低溫性能有不利影響，這是由于纖維吸附膠漿中的自由瀝青使得瀝青組分中的結(jié)構(gòu)瀝青增多，限制了其流動性，使得瀝青變稠變硬，從而限制了瀝青膠漿的低溫蠕變行為，因此纖維摻量不宜過大。圖中曲線斜率在摻量超過3%后明顯增大，說明纖維摻量不宜超過3%。由圖5可知，纖維瀝青膠漿的k值高于無纖維瀝青膠漿，說明加入纖維后瀝青膠漿柔性降低。相同摻量下水稻秸稈纖維膠漿k值小于木質(zhì)素纖維，說明水稻秸稈纖維瀝青膠漿的低溫抗裂性更好，這是由于水稻秸稈纖維材料具有較好的抗拉強(qiáng)度和柔韌性，在瀝青膠漿中起到加筋和增韌的作用，增加了其抗裂強(qiáng)度。

2.4 紅外光譜分析

基于紅外光譜法對水稻秸稈纖維與瀝青膠漿的共混機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6。

圖6 水稻秸稈纖維及纖維瀝青膠漿的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectra of rice straw fiber and fiber asphalt mortar

由圖6可知，2 922 cm-1處的峰是纖維素的特征峰；在1 735 cm-1處的峰是果膠的特征峰；1 320 cm-1處的峰屬于木質(zhì)素的特征峰；1 030 cm-1處是纖維素和半纖維素的特征峰[12]，由此可知水稻秸稈纖維的化學(xué)成分主要為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。瀝青膠漿分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，大量波峰存在于1 500～600 cm-1的指紋區(qū)。纖維及瀝青的主要特征峰及所對應(yīng)的波數(shù)見表5。

表5 紅外光譜中主要特征峰及所對應(yīng)的波數(shù)

由圖6和表5可知，纖維瀝青膠漿并沒有出現(xiàn)新的吸收譜峰，表明添加纖維后沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，未生成新的官能團(tuán)，因此水稻秸稈纖維對瀝青膠漿的增強(qiáng)作用以物理作用(如粘結(jié)、橋接等)為主。同時發(fā)現(xiàn)，纖維的加入增強(qiáng)瀝青膠漿的波峰，這是由于纖維改性時，瀝青的組分有所改變而導(dǎo)致的。

2.5 微觀分析

水稻秸稈纖維SEM圖見圖7a，水稻秸稈纖維呈細(xì)長條狀，長徑比較大，纖維之間易搭接，單個纖維表面溝壑不平，且內(nèi)部存在空隙，是有利于吸附瀝青、增大瀝青與礦料間粘結(jié)力的優(yōu)質(zhì)材料。無纖維膠漿的瀝青與礦料的粘結(jié)界面見圖7b，礦料之間有大量空隙，礦料與瀝青之間粘結(jié)并不緊密，在溫度升高和受到水流沖刷或拉力作用時，瀝青易從礦料表面剝落。在瀝青膠漿中加入稻秸稈纖維后，纖維-瀝青界面見圖7c，纖維在瀝青中互相搭接，形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維表面充分吸附了自由瀝青形成結(jié)構(gòu)瀝青，使瀝青膜變厚。纖維表面存在大小不一的觸角，可以增大比表面積，形成較大的瀝青-纖維界面，加強(qiáng)瀝青的粘結(jié)力。

a.水稻秸稈纖維

b.無纖維瀝青膠漿

c.水稻秸稈纖維與瀝青裹附情況

d.水稻秸稈纖維橋接作用

e.水稻秸稈纖維斷裂面

f.纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象圖7 纖維瀝青膠漿微觀形貌圖Fig.7 Microscopictopography of fiber asphalt mortar

取水稻秸稈纖維瀝青膠漿中纖維與瀝青的連接處進(jìn)行分析，見圖7d，纖維與瀝青之間浸潤結(jié)合的很好，由界面浸潤理論[17]可知，纖維和瀝青液相之間主要通過機(jī)械連結(jié)和潤濕吸附結(jié)合，纖維兩端的瀝青相互連接，形成了橋接纖維，兩者之間形成了類似于機(jī)械之間的錨固作用，使得纖維不易從瀝青中拔出，增強(qiáng)了界面結(jié)合處的粘結(jié)強(qiáng)度。提取拉拔實(shí)驗(yàn)試件破壞斷裂界面處的瀝青膠漿進(jìn)行觀察，見圖7e，纖維根部被吸附于瀝青內(nèi)部，纖維頂端斷口形狀不規(guī)則，說明纖維在膠漿拉伸破壞時受到力的作用，內(nèi)部應(yīng)力傳遞到了纖維上，實(shí)現(xiàn)了纖維的阻裂功能。由圖7f可得，纖維摻量過多且在實(shí)驗(yàn)中分散不均勻時，纖維易結(jié)團(tuán)，影響受力均勻性，增韌作用會大大減弱，所以在實(shí)際運(yùn)用中纖維摻量不宜過多。綜上所述，纖維在瀝青中的主要作用機(jī)理包括增粘、穩(wěn)定、加筋、橋接、阻裂作用等，宏觀上表現(xiàn)為纖維與瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度提高，可以有效抑制瀝青膠漿內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展。

3 結(jié)論

(1)水稻秸稈纖維具有良好的吸油性、耐熱性與韌性，可以提高瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度進(jìn)而改善其高溫性能，但纖維的摻入對瀝青膠漿的低溫性能有不利影響，推薦水稻秸稈纖維在膠漿中的合理摻量為2%～3%之間。

(2)水稻秸稈纖維瀝青膠漿的譜圖為纖維與瀝青譜圖的疊加，沒有新的特征峰產(chǎn)生，纖維與瀝青間主要以物理作用互相粘結(jié)。在微觀條件下觀察到水稻秸稈纖維與瀝青浸潤結(jié)合較好，在瀝青膠漿中發(fā)揮著增粘、增韌與橋接作用。