李毅

（浙江浙交檢測技術(shù)有限公司，杭州310015）

1 研究背景

植物或農(nóng)作物收獲后產(chǎn)生的廢棄物主要由稻草、稻殼和甘蔗渣組成，大量農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)生帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題和與垃圾掩埋問題。農(nóng)業(yè)廢料通常在工廠集中燃燒以用于能源生產(chǎn)，諸如小麥秸稈、稻草、稻殼、甘蔗渣、甘蔗秸稈、木秸稈和玉米芯等農(nóng)作物殘渣在燃燒后會產(chǎn)生灰燼。傳統(tǒng)做法中將農(nóng)業(yè)廢灰公開傾倒，這一做法極易污染地下水，且可用于傾倒農(nóng)業(yè)廢灰的空間資源也彌足珍貴[1]。

從糧農(nóng)組織報告中的數(shù)據(jù)表明，全球水稻、甘蔗和小麥的年產(chǎn)量分別為7.82×108t、1.9×109t和7.34×108t，1 t水稻會產(chǎn)生200 kg稻殼，1 t甘蔗大約產(chǎn)生250～270 kg的甘蔗渣，1 t小麥籽?？僧a(chǎn)生1 300～1 400 kg麥秸，這些廢棄農(nóng)作物殘渣在燃燒時會產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物灰分（Agricultural Waste Ash，AWA），如何將這一類廢棄物合理處置成為研究人員探尋的方向。近年來，研究人員將農(nóng)作物殘渣燃燒后的AWA用作瀝青改性，以改善瀝青的機械和耐久性能。文獻(xiàn)報道了使用稻殼灰（Rice husk ash，RHA）、甘蔗渣灰（Sugar Cane Bagasse Ash，SCBA）、小麥秸稈灰（Wheat Straw Ash，WSA）以及火山灰材料的實驗研究[2，3]。

由于交通荷載增加，路面實際使用壽命縮短，諸多研究人員開始探索評價路面性能的新方法以及使用可循環(huán)再生材料來進(jìn)行瀝青改性。Zhang J.等[4]提出基礎(chǔ)斷裂能和韌性，以研究各種因素（裂縫深度、瀝青性能、溫度、瀝青標(biāo)號）對低溫抗裂性能的影響。Ding X.等[5]比較粒狀橡膠瀝青（SCRA）和基質(zhì)瀝青共混制備的再生瀝青混合物，研究表明，再生瀝青具有更好的高溫性能。其中，再生混合料(RAP）的最佳含量為50%，并且通過加入再生劑進(jìn)一步提高了其低溫性能。Zhu J.等[6]對摻有再生混合料的高模量瀝青混合料的路面響應(yīng)進(jìn)行了研究。研究表明，通過使用改良的再生方法進(jìn)行混合料生產(chǎn)以及在再生混合料含量達(dá)到40%的情況下，可以獲得更好的高溫性能和水穩(wěn)定性能，但對低溫性能的影響不明顯。作為冷再生技術(shù)的最新進(jìn)展，Chen T.等[7]對3種類型合成材料界面的微觀結(jié)構(gòu)研究進(jìn)行觀察，這些界面是將冷再生乳化瀝青(CRAEM)與新骨料和舊骨料共混設(shè)計而成，并基于力學(xué)性能和微觀觀察結(jié)果提出了一種優(yōu)化后的CRAEM施工工藝。Arabani M.等[8]評價了RHA改性瀝青及其混合料的力學(xué)性能。結(jié)果表明，添加RHA提升了瀝青混合料的抗車轍性能和疲勞壽命。Sargn S.等[9]指出，RHA是一種適用于瀝青混合料的填料。研究表明，將50%RHA與50%石灰石填料共混添加改善了瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度與流值。

本研究通過使用納米級農(nóng)業(yè)廢棄物灰分對瀝青進(jìn)行改性，選用了3種類型的AWA進(jìn)行研究，分別是RHA、SCBA、WSA并研究其對瀝青的影響。

2 材料與試驗

2.1 材料

本研究采用浙江省某瀝青廠家提供的70號基質(zhì)瀝青，其軟化點為48℃，25℃、針入度66（0.1 mm），15℃、延度為103 cm。此外，農(nóng)業(yè)廢灰（RHA，SCBA和WSA）從當(dāng)?shù)剞r(nóng)工產(chǎn)品回收處收集。

2.2 納米材料的制備

先將RHA、SCBA和WSA通過0.075 mm篩，再將其在行星式球磨機中以400 r/min的速度研磨10～12 h，以將相應(yīng)的材料轉(zhuǎn)化為納米材料，球與材料的質(zhì)量比為10∶1。

2.3 改性瀝青的制備

將納米RHA（nRHA）、納米SCBA（nSCBA）和納米WSA（nWSA）3種材料以不同的比例加入瀝青中進(jìn)行改性。通常納米材料以2%～6%摻量摻入，因此，為每個nAWA選擇的摻量水平分別為瀝青質(zhì)量的2%、4%和6%。為了在瀝青中實現(xiàn)nAWA的均勻混合，使用高速剪切儀在3 000 r/min下剪切60 min，溫度為163℃。

2.4 常規(guī)瀝青試驗

常規(guī)瀝青試驗如針入度、延度和軟化點分別按照標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的程序進(jìn)行，以測試添加每種nAWA后瀝青性能的變化。

2.5 農(nóng)業(yè)廢灰表征試驗

為了檢查農(nóng)業(yè)廢灰研磨后的顆粒大小和化學(xué)組成，分別使用了粒度分析儀、X射線衍射儀進(jìn)行試驗。試驗詳細(xì)信息如下。（1）粒度分析：用純水作分散劑（折射率RI=1.33），將測試樣品浸入分散劑中，然后在30℃下超聲震蕩分離顆粒約10 min，最后使用激光散射在25℃的溫度下進(jìn)行分析；（2）X射線衍射：使用X射線衍射儀在波長λ=1.5418 nm、掃描角（2θ）10～85°、溫度25℃以及掃描速率0.025°/0.4 s的條件下進(jìn)行試驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)業(yè)廢灰表征試驗

首先，由粒度分析確定的nRHA，nWSA和nSCBA的平均粒度分別為28.21 nm，31.37 nm和24.66 nm。結(jié)果表明，該材料已被充分研磨至納米范圍（即1～100 nm）；其次，為了鑒定每種農(nóng)業(yè)廢灰，如圖1所示W(wǎng)SA、SCBA和RHA 3種AWA中主要存在著無定形SiO2，其中，較低的彎曲峰代表著RHA和SCBA。此外，在2θ≈22°處形成的寬峰也證明RHA和SCBA存在大量無定形SiO2。但是，在2θ≈26.7°處觀察到一個小的強度峰，表明RHA和SCBA中還存在著少量SiO2處于結(jié)晶相，而WSA樣品中在2θ≈26.7°和2θ≈26.7°處觀察到的尖峰表明SiO2主要處于非晶態(tài)。

圖1 nAWA的XRD分析

此外，通過匹配軟件確定RHA、SCBA和WSA的結(jié)晶度分別為7.40%、8.57%和13.93%。最后，由X射線衍射（XRD）分析估算的RHA、SCBA和WSA中SiO2約為85%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（RHA）、86%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（SCBA）和79%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（WSA），證實了SiO2是主要的化學(xué)成分。此外，每種AWA還存 在 少 量 的CaO、Al2O3、Na2O、K2O、MgO、MnO、SO3、Fe2O3、P2O4和TiO2。

3.2 均勻分散研究

通常，具有高儲存穩(wěn)定性的改性瀝青意味著改性劑在其中分散性良好。因此，本節(jié)介紹基于存儲穩(wěn)定性測試結(jié)果的色散研究，已有研究中定義均勻分離指數(shù)＜2.2即可。實驗所得分離指數(shù)分別為0.3（基質(zhì)瀝青）、0.7（2%nRHA）、0.9（4%nRHA）、1.1（6%nRHA）、0.8（2%nSCBA）、0.8（4%nSCBA）、0.8（6%nSCBA）、0.8（2%nWSA）、1.3（4%nWSA）和2.8（6%nWSA）。結(jié)果表明，每種nAWA（除6%的nWSA外）均良好且均勻地分散在瀝青中，其分離指數(shù)在允許的范圍內(nèi)，這表明這些改性瀝青儲存穩(wěn)定性良好，而6%nWSA樣品儲存穩(wěn)定性較差，這意味著6%的nWSA沒有均勻分散在瀝青中。這可能是因為大量的納米顆粒極易結(jié)團(tuán)以及其較大的比表面積最終導(dǎo)致分散性差，儲存穩(wěn)定性下降。

3.3 瀝青三大指標(biāo)分析

與基質(zhì)瀝青相比，隨著瀝青中nRHA含量的增加，nRHA改性樣品的針入度下降，nRHA改性瀝青針入度相比基質(zhì)瀝青在2%、4%和6%摻量時分別降低約9%、18%和27%；在瀝青中加入nSCBA相應(yīng)的摻量也獲得了類似的性能變化，在nSCBA 2%、4%和6%摻量時針入度分別下降了約6%、12%和17%；但是在nWSA改性瀝青中，摻量在4%之前針入度下降，在6%摻量時其針入度卻有增加，與基礎(chǔ)瀝青相比，2%nWSA和4%nWSA的混合針入度分別降低約15%和28%。

與基礎(chǔ)瀝青相比，nRHA、nWSA和nSCBA改性瀝青的延度都呈下降的趨勢，這與針入度下降硬度增加相關(guān)。nRHA在2%、4%和6%摻量時其延度分別下降10%、24%和36%；對于2%、4%和6%摻量的nSCBA改性瀝青，延度分別下降8%、14%和26%；同樣，nWSA在摻量2%和4%時延度分別下降了17%和38%；但是，在nWSA為6%時與基質(zhì)瀝青相比延度增加9%。針入度與延度的下降表明瀝青變稠變硬，其抵抗變形的能力增加。

與上述結(jié)果一致的是，軟化點的結(jié)果表明nAWA的添加會導(dǎo)致瀝青變硬，因為除了6%nWSA以外，所有nAWA改性瀝青的軟化點都隨著摻量的增加而顯著提升。在nRHA摻量2%、4%和6%時軟化點分別上升約7%、10%和14%；在nSCBA摻量分別為2%、4%和6%時軟化點分別上升3%、6%和9%；nWSA在摻量分別為2%和4%時軟化點分別增加9%和14%，而在nWSA6%時其軟化點呈增大趨勢。較高的軟化點意味著瀝青具有較好的高溫抗車轍性能，但過量的nWSA可能會導(dǎo)致6%nWSA改性瀝青失去良好的儲存穩(wěn)定性，這可能導(dǎo)致改性瀝青離析分層的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文對納米農(nóng)業(yè)廢灰（nRHA、nSCBA和nWSA）改性瀝青進(jìn)行了研究，以探尋其作為路面可持續(xù)解決方案的適用性。將農(nóng)業(yè)廢灰摻入瀝青中進(jìn)行瀝青改性，并進(jìn)行三大指標(biāo)、粒度分析與XRD分析試驗，以檢查改性瀝青的路用性能、nAWA大小和化學(xué)元素變化。結(jié)果表明，nAWA改性瀝青針入度與延度降低、軟化點值升高，這表明nAWA的摻入增強了瀝青的高溫抗車轍能力。