尹繼明，王聲樂

(1.揚州科技學院 土木工程學院，江蘇 揚州 225009； 2.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096)

0 引 言

在公路建設中，90%以上是瀝青路面。這得益于瀝青路面的諸多優(yōu)點，比如表面平整、無跳車、噪聲小、行車舒適、耐磨、施工周期短、養(yǎng)護維修簡單、適宜于分期修建等[1]。但隨著交通量的迅速增加和瀝青的老化，瀝青路面的早期病害，如車轍、開裂、坑槽、剝落等，也隨之產(chǎn)生[2]。解決上述問題的主要方法是在瀝青中添加增強劑以及使用改性瀝青[3-4]。

近年來，有許多研究者將纖維添加至瀝青混合料中以提高路用性能[5]，比如玻璃纖維[6]、玄武巖纖維[7]、聚酯纖維[8]、聚丙烯纖維[9]、尼龍纖維[10]、木質(zhì)素纖維[11]等。一方面，這些纖維的添加不同程度地提高了瀝青混合料的高低溫性能；另一方面，纖維自身的缺陷又限制了它們的應用推廣。比如玻璃纖維易脆裂，非降解[12]；玄武巖纖維價格昂貴，易抱團[13]；聚酯纖維、聚丙烯纖維、尼龍纖維等化工纖維，與瀝青混合料攪拌時容易纏繞，分散性差；木質(zhì)素纖維在瀝青混合料中同樣很難分散，易抱團，只起到吸油、穩(wěn)定瀝青的作用。因此，尋找一種價格低廉、強度高、韌性強、易分散的添加劑勢在必行。

圖1 麥秸稈片制備過程

在農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)作物秸稈的傳統(tǒng)用途主要是：焚燒后還田作肥料，干儲作燃料，青貯或微儲作飼料，或工業(yè)用作為造紙原料。據(jù)統(tǒng)計，目前的應用中焚燒占27%，造肥還田占38%，作燃料約占17%，作飼料約占14%，其他占4%。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變和農(nóng)村生活條件改善，秸稈出現(xiàn)季節(jié)性、地區(qū)性、結(jié)構(gòu)性過剩，大量秸稈得不到收集利用。秸稈隨意拋棄、焚燒現(xiàn)象嚴重，不僅污染大氣環(huán)境，釀成交通事故，危害人民群眾生命財產(chǎn)安全，而且破壞農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，降低土壤肥力?！敖斩捨廴尽眴栴}已引起國家的密切關注，國家環(huán)?？偩诸C布《秸稈禁燒和綜合利用管理辦法》，明令禁止在機場、鐵路、高速公路，以及國道、省道公路干線附近焚燒秸稈。盡管政府及相關部門依法加強檢查與督辦，但秸稈焚燒屢禁不止，其原因不在于農(nóng)民的焚燒意識，而是找不到秸稈回收利用的出路。因此，解決秸稈廢棄和焚燒問題的根本措施，是開展以秸稈利用技術(shù)創(chuàng)新為核心的科學研究，開辟新的資源化利用途徑，促進秸稈利用效率和效益的提高。將秸稈應用于化工、建筑、紡織等領域，開發(fā)高性能、環(huán)境友好的綠色材料，是實現(xiàn)秸稈資源化利用的有效途徑之一。

秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三部分組成。纖維素屬于線性結(jié)晶高聚物，內(nèi)含大量氫鍵；半纖維素由較短、高分枝的雜多糖鏈組成，鏈上連接著數(shù)量不等的甲?；鸵阴；?；木質(zhì)素是以苯丙基為基本結(jié)構(gòu)單元連接而成的高分枝、多分散性高聚物。因此，秸稈是天然的加筋材料，可將其纖維化后用于加固土體和SMA，但秸稈纖維化工藝復雜，也會帶來環(huán)境污染問題。

本文探尋了一條麥秸稈回收再利用的新途徑：將粉碎后的短細麥秸稈片直接添加至瀝青混合料中以增強瀝青混合料性能。秸稈經(jīng)粉碎后形成的短細碎片，具有良好的分散性，能夠分散于瀝青混合料中，形成均勻分布的加筋鏈。為了考察短細麥秸稈片在瀝青混合料中的加筋效果及其用量，本文采用馬歇爾設計法和正交試驗對麥秸稈瀝青混合料配合比進行設計，在此基礎上，測試和評價了麥秸稈瀝青混合料的高溫、低溫性能。

1 材料和試驗

1.1 麥秸稈及短細麥秸稈片

以當年生的去葉去穗麥秸稈為原料，采用秸稈粉碎機制備麥秸稈碎片，如圖1所示。制備過程為：先由人工將麥秸稈均勻、適量地喂入粉碎口，在定刀和旋轉(zhuǎn)刀的作用下，麥秸稈被切成小段，然后在高速振動的錘片的強烈拍擊下，麥秸稈迅速被粉碎。在離心力和內(nèi)置風機產(chǎn)生的風壓作用下，被粉碎的麥秸稈碎片經(jīng)篩孔落入下腔，由風壓自輸料管道輸出。

將粉碎的麥秸稈碎片進行篩分，得到短細麥秸稈片(以下簡稱“麥秸稈片”)。麥秸稈片的物理、力學性能見表1。

表1表明，麥秸稈片密度小、強度高、黏附力大、耐高溫，適合作加筋材料用于瀝青混合料中。

1.2 瀝青

本文采用中海70#道路石油瀝青進行相關試驗，其各性能指標見表2。

表1 麥秸稈片的物理、力學性能

1.3 集料及級配

試驗所用粗集料為石灰?guī)r質(zhì)礦料，由揚州潤揚路面工程有限公司實驗室提供。其中2#料粒徑范圍為4.75～13.2 mm，3#料粒徑范圍為2.36～4.75 mm，4#料粒徑范圍為0～2.36 mm。經(jīng)取樣檢測，所用集料均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。集料配合比和級配見表3。

表2 70#道路石油瀝青指標

表3 集料級配

1.4 麥秸稈瀝青混合料的制備

本試驗研究中，油石比分別采用4.5%、5.0%、5.5%，分別以瀝青混合料總質(zhì)量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%為麥秸稈片用量。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)要求，采用擊實法和輪碾法拌制麥秸稈瀝青混合料。需要說明的是，為了使麥秸稈片拌合均勻，先將麥秸稈片與粗細集料一起置于拌合機中混合、拌勻，然后再加入瀝青。

1.5 馬歇爾穩(wěn)定度相關試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)要求制作馬歇爾試件，并測試其密度、空隙率(VV)、間隙率(VMA)、飽和度(VFA)、馬歇爾穩(wěn)定度和流值等指標。

1.6 車轍試驗

車轍試驗是評價瀝青混合料在規(guī)定溫度(通常為60 ℃)下抵抗塑性流動變形能力的最常用方法，通常用動穩(wěn)定度來表征瀝青混合料抵抗塑性流動變形能力。計算試件變形1 mm所需試驗車輪行走次數(shù)，即為動穩(wěn)定度，按式(1)計算。

(1)

式中：DS為瀝青混合料動穩(wěn)定度(次·mm-1)；d1、d2為時間t1和t2時的變形量(mm)；C1為試驗機類型修正系數(shù)，曲柄連桿驅(qū)動試件的變速行走方式為1.0，鏈驅(qū)動試驗輪的等速方式取1.5；C2為試件系數(shù)，實驗室制備的寬300 mm的試件取1.0，從路面切割的寬150 mm的試件取0.8；N為試驗輪往返碾壓速度，通常為42 m·min-1。

1.7 彎曲試驗

按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)要求，先采用輪碾法制作麥秸稈瀝青混合料板狀試樣，然后用切割機將板狀試樣切割成尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體小梁，最后將小梁置于Universal Testing Machine(UTM)內(nèi)加載，加載速率采用50 mm·min-1，直至小梁破壞。整個試驗過程保持環(huán)境溫度為-10 ℃。

按式(2)～(4)計算試件破壞時的抗拉彎強度RB、破壞時的梁底最大彎拉應變εB及破壞時的彎曲勁度模量SB。

(4)

式中：RB為試件破壞時的抗彎拉強度(MPa)；εB為試件破壞時的梁底最大彎拉應變；SB為試件破壞時的彎曲勁度模量(MPa)；b為跨中斷面試件的寬度(mm)；h為跨中斷面試件的高度(mm)；L為試件的跨徑(mm)；PB為試件破壞時的最大荷載(N)；d為試件破壞時的跨中撓度(mm)。

2 結(jié)果及討論

2.1 最佳瀝青用量和麥秸稈片摻量

按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的方法確定最佳瀝青用量，并按《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)測試麥秸稈瀝青混合料的物理指標和力學指標，試驗結(jié)果見表4。

表4 麥秸稈瀝青混合料物理力學指標測試結(jié)果

以油石比為橫坐標，以馬歇爾試驗的各項指標為縱坐標，繪制各項指標與油石比的關系曲線(圖2)，從而確定符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中瀝青混合料技術(shù)標準的瀝青用量范圍。

圖2(a)顯示，麥秸稈瀝青混合料密度隨油石比的增加基本呈先增大后減小的趨勢，隨麥秸稈片摻量的增加而減小。這是因為，麥秸稈片密度較瀝青及礦料小，麥秸稈片的添加代替了部分瀝青和礦料。對于不同麥秸稈片摻量的瀝青混合料，密度最大值對應的油石比均出現(xiàn)在5.1%左右。圖2(b)顯示，馬歇爾穩(wěn)定度隨油石比的增加基本呈增大的趨勢，隨麥秸稈片摻量的增加基本呈先增大后減小的趨勢，最大穩(wěn)定度對應的油石比為5.2%，麥秸稈片摻量為0.2%。圖2(c)表明了滿足空隙率技術(shù)要求的不同麥秸稈片摻量的瀝青混合料油石比范圍，其中以麥秸稈片摻量為0.2%、0.3%的瀝青混合料油石比范圍最大(4.5%～5.5%)，且空隙率均值對應的油石比分別為5.3%、4.8%。圖2(e)給出了滿足瀝青飽和度技術(shù)要求的不同麥秸稈片摻量的瀝青混合料油石比范圍，其中以麥秸稈片摻量為0.3%、0.4%的瀝青混合料油石比范圍最大(4.5%～5.5%)，且瀝青飽和度均值對應的油石比分別為5.0%、4.91%。

綜上所述，適宜的瀝青用量為5.1%～5.3%，麥秸稈片摻量為0.1%～0.2%。再對照圖2(d)、(e)、(f)，油石比、麥秸稈片摻量在上述區(qū)間的瀝青混合料流值、飽和度及間隙率均能滿足規(guī)范要求。

圖2 瀝青用量與馬歇爾穩(wěn)定度試驗物理、力學指標的關系

2.2 車轍試驗結(jié)果

麥秸稈瀝青混合料車轍試驗結(jié)果如表5、圖3所示。方差分析見表6。

表6顯示，麥秸稈片摻量對動穩(wěn)定度及車轍深度具有非常顯著的影響，油石比對動穩(wěn)定度及車轍深度有顯著的影響。從圖3可以看出，動穩(wěn)定度隨著油石比的增加而增大，隨著麥秸稈片摻量的增加呈先增加后減小的趨勢。動穩(wěn)定度最大值出現(xiàn)在油石比5.5%、麥秸稈片摻量0.3%附近，達到了2 571 次·mm-1，車轍深度僅為2.515 mm。相較于同等油石比條件下未摻麥秸稈片的瀝青混合料，動穩(wěn)定度提高了43%，車轍深度減小了近44%，表明麥秸稈片的添加有效地提高了瀝青混合料的抗車轍變形能力。

表5 車轍試驗結(jié)果

圖3 動穩(wěn)定度與油石比、麥秸稈摻量變化關系

表6 車轍試驗方差分析

這主要是因為，隨機分布的麥秸稈片在瀝青混合料中形成空間網(wǎng)絡，對瀝青的流動產(chǎn)生內(nèi)摩擦阻力，即增加了瀝青的黏度。這一點可由愛因斯坦混合律說明，如式(5)所示。

η=ηm(1+KEΦf)

(5)

式中：η為纖維復合瀝青的黏度；ηm為瀝青的黏度；KE為愛因斯坦系數(shù)；Φf為纖維的體積百分數(shù)。其中愛因斯坦系數(shù)KE與纖維長細比l/d有關。當l/d>1時，KE>2.5。很顯然，對于麥秸稈片而言，長細比l/d為7～10，KE為5～6，可知麥秸稈片的添加使瀝青的黏度增大了1倍。瀝青是典型的黏彈性材料，黏度的增大阻滯了瀝青自身的流動，從而使瀝青混合料抗剪切變形能力得到增強。

但過量的麥秸稈片進一步加大了瀝青混合料的空隙率，破壞了瀝青混合料的原有結(jié)構(gòu)，使瀝青混合料中骨料間的嵌擠作用變?nèi)酰谕夂奢d作用下，骨料間極易發(fā)生相對滑移，且滑移量變大，表現(xiàn)為動穩(wěn)定度的減小和車轍深度的增大。

2.3 彎曲試驗結(jié)果

麥秸稈瀝青混合料彎曲試驗結(jié)果如表7和圖4、 5所示，方差分析見表8。

由表8可知：油石比對彎曲勁度模量有非常顯著的影響，對抗彎拉強度有顯著的影響；麥秸稈片摻量對抗彎拉強度有非常顯著的影響，對彎曲勁度模量的影響不顯著。

表7 彎曲試驗結(jié)果

圖4 抗彎拉強度與油石比、麥秸稈摻量的關系

圖5 彎曲勁度模量與油石比、麥秸稈摻量的關系

由圖4可知，麥秸稈瀝青混合料的抗彎拉強度隨著油石比、麥秸稈片摻量的增加均呈先增大后減小的趨勢。抗彎拉強度最大值出現(xiàn)在油石比5.0%、麥秸稈片摻量0.1%附近，在-10 ℃條件下達到9.18 MPa，相較于同等條件下未摻加麥秸稈片的瀝青混合料，強度值提高了23%。

圖5顯示，麥秸稈瀝青混合料的彎曲勁度模量，隨著油石比、麥秸稈片摻量的增加均呈先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在油石比為5.0%、麥秸稈片摻量為0.1%附近，達到2 558 MPa，相較于同條件下未摻加麥秸稈片的瀝青混合料，模量值提高了42%。

上述現(xiàn)象表明，添加一定量的麥秸稈片提高了瀝青混合料的屈服強度和彈性模量，增強了瀝青混合料的抗裂性能。這一點可以用短纖維增強復合材料原理來解釋。根據(jù)混合律模型可得到麥秸稈瀝青混合料的彈性模量。

E=EfΦf+Em(1-Φf)

(6)

式中：E為麥秸稈瀝青混合料的彈性模量；Ef為麥秸稈片的彈性模量；Em為瀝青的彈性模量；Φf為麥秸稈片的體積百分比。

由式(6)可知，麥秸稈瀝青混合料的彈性模量與麥秸稈片彈性模量及麥秸稈片的添加量成線性正比關系。因此，麥秸稈瀝青混合料的抗彎拉強度及彎曲模量隨著麥秸稈片摻量的增加而增大。但隨著麥秸稈片摻量的繼續(xù)增加，瀝青混合料的空隙率也隨之進一步增大，骨料與瀝青間的黏結(jié)力減弱，當黏結(jié)力的減弱值超過由麥秸稈片增強帶來的強度增補值時，瀝青混合料的強度將會降低，畢竟瀝青混合料的強度和模量最終由骨料的嵌擠作用及骨料與瀝青間的黏結(jié)作用決定。這也是為什么當麥秸稈片的摻量超過0.2%時，麥秸稈瀝青混合料的抗彎拉強度和模量均減小的原因。

3 結(jié) 語

本文將粉碎后的麥秸稈片添加至瀝青混合料中，采用馬歇爾設計法，以油石比和麥秸稈摻量為因素，油石比設4.5%、5.0%、5.5%三個水平，麥秸稈片摻量設0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%五個水平，采用全正交試驗確定最佳瀝青用量和麥秸稈片摻量，并測試和評價了麥秸稈瀝青混合料的高溫、低溫性能，得到如下結(jié)論。

(1)綜合考慮油石比和麥秸稈片摻量對瀝青混合料密度、孔隙率、飽和度、穩(wěn)定度、流值、動穩(wěn)定度、抗彎拉強度等指標的影響，確定最佳瀝青用量為5.2%，最佳麥秸稈片摻量為0.2%。

(2)在瀝青混合料中添加適量的麥秸稈片，可以增強瀝青混合料的抗車轍變形能力和低溫抗裂性能。其原因在于，麥秸稈片的添加使瀝青的黏度增加，提高了瀝青混合料的屈服強度和彈性模量。

(3)將麥秸稈直接粉碎，直接添加至瀝青混合料中，可避免秸稈纖維化帶來的工藝復雜、環(huán)境污染等問題，真正做到化害為利、變廢為寶，有望開辟麥秸稈回收再利用的新途徑。