作者簡(jiǎn)介：

李志民（1988—），碩士，工程師，主要從事路橋施工管理工作。

摘要：為了研究植物灰分在公路工程瀝青改性中應(yīng)用的可行性，文章選取稻殼、蔗渣、小麥秸稈三種農(nóng)作物廢料，制備納米級(jí)稻殼灰（RHA）、蔗渣灰（SCBA）、小麥秸稈灰（WSA），并結(jié)合植物灰分特性，分析植物灰分對(duì)瀝青常規(guī)指標(biāo)、儲(chǔ)存穩(wěn)定性以及PG分級(jí)高溫指標(biāo)等的影響。結(jié)果顯示：植物灰分提高了瀝青軟化點(diǎn)，降低了針入度、延度;植物灰分改性瀝青具有較好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，但摻量不宜過(guò)大;加入植物灰分后，瀝青高溫分級(jí)等級(jí)可提高1～2個(gè)等級(jí)。經(jīng)綜合分析，植物灰分具有應(yīng)用于瀝青改性的可行性，推薦RHA、SCBA、WSA最佳摻量分別為6%、6%、4%。

關(guān)鍵詞：道路工程;瀝青;瀝青混合料;納米植物灰分;稻殼;蔗渣;小麥秸稈

中國(guó)分類號(hào)：U416.03A200734

0 引言

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量農(nóng)作物廢料，包括但不限于各類農(nóng)作物秸稈、蔗渣、稻殼、椰糠等。大量農(nóng)業(yè)廢棄物的處治成為一大難題，部分被直接燃燒（少量被用于燃燒發(fā)電）也加重了環(huán)境污染，同時(shí)燃燒后灰分也會(huì)對(duì)土壤、水體等造成污染[1-2]。相應(yīng)地，上述作物廢料在燃燒后也會(huì)產(chǎn)生大量殘留灰分，這是前述處治及環(huán)境污染問(wèn)題產(chǎn)生的原因。近期，研究人員采用農(nóng)作物灰分作為混凝土中補(bǔ)充膠凝材料，研究表明稻殼灰（RHA）、蔗渣灰（SCBA）和麥秸灰（WSA）具有火山灰類材料性質(zhì)，可以改善混凝土力學(xué)和耐久性能。因此，鑒于水泥類材料在瀝青改性方面的廣泛應(yīng)用，可考慮將上述廢灰用于消耗量巨大的瀝青改性應(yīng)用，以達(dá)到廢料綜合利用的目的。

基于上述研究思路，有部分研究者采用植物纖維、植物纖維灰進(jìn)行了瀝青或?yàn)r青混合料改性研究。如Liu等制備得到絮狀竹纖維，研究表明竹纖維可以有效降低瀝青溫度敏感性，對(duì)應(yīng)混合料具有良好的路用性能，且能延緩混合料裂縫的發(fā)展，是代替木質(zhì)素纖維的潛在替代品[3]。Mongkol等研究了蔗渣和椰糠替代礦粉對(duì)瀝青混合料和易性影響，結(jié)果表明采用20%摻量（占瀝青體積百分比）與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿黏度相當(dāng)，且對(duì)應(yīng)瀝青混合料部分馬歇爾技術(shù)指標(biāo)較為接近[4]。Li等對(duì)蔗渣纖維改性瀝青混合料進(jìn)行研究，表明其可以改善瀝青混合料路用性能，且與木質(zhì)素纖維瀝青混合料路用性能相當(dāng)[5]。李振霞等介紹了玉米秸稈制備工藝，探討了其瀝青改性機(jī)理，混合料試驗(yàn)表明其與木質(zhì)素纖維改性效果相當(dāng)，且具有變異性更小的高低溫性能改善效果[6]。[JP+1]相關(guān)編譯成果研究了纖維素灰（來(lái)源于紙漿廠樹皮和碎木材等燃燒后的灰燼）對(duì)瀝青混合料性能抗老化性能的影響，并提出“相對(duì)濃度”概念，指出當(dāng)摻加量在相對(duì)濃度范圍內(nèi)可使抗老化性能提高45.3～48.6%[7]。另外，隨著材料科技發(fā)展，納米材料也逐漸被應(yīng)用于瀝青改性技術(shù)。納米金屬氧化物（TiO2、ZnO、SiO2等）、納米無(wú)機(jī)材料（碳納米管、納米黏土）等被證實(shí)對(duì)瀝青部分性能具有良好的改善效果。

綜合分析，上述研究大部分偏向于作物纖維改性瀝青技術(shù)，對(duì)已被燃燒處治的植物灰分改性研究相對(duì)較少。同時(shí)，基于納米材料在瀝青改性技術(shù)方面的優(yōu)良表現(xiàn)，可考慮將植物灰分進(jìn)行納米化加工，然后分析其在瀝青改性方面的可行性?；诖?，本文重點(diǎn)分析納米植物灰分對(duì)瀝青關(guān)鍵性能指標(biāo)影響，為植物廢料處治及后續(xù)深入研究提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

瀝青選用埃索70#基質(zhì)瀝青，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

選取稻殼、蔗渣、小麥秸稈三種植物廢料，分別采用馬弗爐在500 ℃條件下制備成稻殼灰（RHA）、蔗渣灰（SCBA）、小麥秸稈灰（WSA）等三類植物廢灰。去除雜質(zhì)后過(guò)0.075 mm篩孔備用。采用球磨機(jī)將農(nóng)作物廢灰進(jìn)行納米化制備，球磨機(jī)作業(yè)參數(shù)為：400 r/min干燥研磨2～3 h，球料比為10∶1。

1.2 改性瀝青制備

基質(zhì)瀝青加熱熔融至163 ℃?zhèn)溆?，將前述三種不同摻量（2%、4%、6%）納米材料分別添加到基質(zhì)瀝青中，采用高速剪切機(jī)進(jìn)行剪切拌和，剪切速率為3 000 r/min，剪切60 min。

1.3 試驗(yàn)方案

首先擬對(duì)植物灰分作用機(jī)理進(jìn)行研究，即對(duì)植物灰分進(jìn)行粒徑、物相等分析，并對(duì)植物灰分改性瀝青紅外光譜特性與基質(zhì)瀝青的進(jìn)行對(duì)比。然后研究不同摻量灰分對(duì)瀝青針入度、延度及軟化點(diǎn)以及儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響。最后，基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）對(duì)植物灰分改性瀝青流變特性進(jìn)行分析，以探究其是否具備工程應(yīng)用可行性。

2 改性瀝青作用機(jī)理

2.1 植物灰分特性分析

采用粒度分析儀、X射線衍射儀分別對(duì)研磨制備的納米農(nóng)作物廢灰進(jìn)行粒度、物相分析（非晶態(tài)或結(jié)晶態(tài)）。具體試驗(yàn)參數(shù)如下：

（1）粒度分析：以蒸餾水為分散劑（折射率RI為1.33），測(cè)試樣品浸入分散劑后，在30 ℃的條件下使用超聲波對(duì)顆粒分離10 min。調(diào)整懸濁液溫度至25 ℃，采用動(dòng)態(tài)光散射法進(jìn)行納米顆粒粒徑分析。

（2）X射線衍射：采用Bruker D8 X射線衍射儀（銅靶，λ=1.541 8），測(cè)試掃描角度（2θ）范圍為10°～85°，掃描速率為0.025°/0.4 s，測(cè)試溫度均為25 ℃。

粒度測(cè)試結(jié)果顯示，RHA、WSA和SCBA三種納米材料平均粒徑分別為28.21 nm、31.37 nm和24.66 nm，表明制備工藝可使廢棄作物灰分達(dá)到納米級(jí)尺寸要求（1～100 nm）。

對(duì)三種納米灰分進(jìn)行物相分析（如圖1所示），結(jié)果顯示其主要成分為無(wú)定形二氧化硅。分析顯示，RHA和SCBA在2θ為22°存在較寬峰值，表明存在大量無(wú)定形二氧化硅。但二者在2θ為26.7°附近存在強(qiáng)烈峰值，表明RHA和SCBA也存在一定量結(jié)晶態(tài)二氧化硅。通過(guò)結(jié)晶度測(cè)算，RHA、SCBA和WSA結(jié)晶度分別為7.40%、8.57%和13.93%。

2.2 傅里葉紅外光譜分析

采用紅外光譜（FTIR）對(duì)三種植物灰分改性瀝青進(jìn)行化學(xué)成分分析，將測(cè)試樣品溶于5%二硫化碳溶液中，并滴取一滴至溴化鉀壓片上，壓片厚度控制在150 μm。待二硫化碳完全揮發(fā)后進(jìn)行測(cè)試，在400～4 000 cm-1波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描32次。各試樣紅外光譜圖對(duì)比如圖2所示。

對(duì)比各試樣光譜圖，各試樣光譜峰值位置與大小幾乎一致，且相較基質(zhì)瀝青并未形成新的官能團(tuán)，對(duì)應(yīng)峰以及相關(guān)峰值消失，表明納米灰分加入改性瀝青后未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，僅存在物理共混作用。

3 瀝青性能指標(biāo)影響

3.1 常規(guī)性能指標(biāo)

對(duì)各瀝青試樣進(jìn)行針入度、延度、軟化點(diǎn)等常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

經(jīng)分析可知：

（1）相較基質(zhì)瀝青，加入納米灰分后改性瀝青針入度減小、軟化點(diǎn)增大。除6%WSA外，瀝青針入度隨納米灰分摻量增加逐漸減小、軟化點(diǎn)則逐漸增大，表明納米灰分提高了瀝青稠度與高溫穩(wěn)定性。但當(dāng)WSA摻量為6%時(shí)針入度顯著增大、軟化點(diǎn)顯著減小，可能是由于高摻量秸稈灰分易發(fā)生團(tuán)聚，減弱了對(duì)瀝青的吸附與加強(qiáng)效果，進(jìn)而表現(xiàn)為針入度增大、軟化點(diǎn)降低。

（2）加入納米灰分后，瀝青延度逐漸降低，且除6%WSA外，摻量越大各試樣延度越小。這與納米灰分對(duì)瀝青的硬化作用有關(guān)，納米灰分加入后吸附瀝青形成瀝青膠漿，增強(qiáng)了瀝青稠度與高溫性能的同時(shí)，使瀝青硬度變大，分散的納米顆粒也阻斷了原瀝青內(nèi)部的延展性。而6%WSA由于團(tuán)聚效應(yīng)，分散效果較差，從而對(duì)瀝青延度影響也較小。

3.2 儲(chǔ)存穩(wěn)定性

儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)是評(píng)估瀝青特別是改性瀝青是否具備長(zhǎng)距離運(yùn)輸及長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存的重要依據(jù)。穩(wěn)定性良好是改性瀝青工廠化生產(chǎn)的必要條件，我國(guó)規(guī)范要求高聚物改性瀝青離析軟化點(diǎn)差應(yīng)控制在2.5 ℃以內(nèi)。為保證納米材料加入瀝青后在高溫狀態(tài)下不發(fā)生離析，對(duì)各改性瀝青試樣進(jìn)行儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)。首先將試樣裝入直徑為25 m、高度為140 mm鋁管，然后在163±5 ℃環(huán)境中豎直存放48 h。之后取出并立即放入7 ℃冰箱冷卻4 h±5 min。4 h后，將試管從冰箱中取出，切成三等份。取鋁管頂部與底部試樣進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)，測(cè)算出二者軟化點(diǎn)差。參照高聚物儲(chǔ)存穩(wěn)定性要求，各瀝青試樣離析軟化點(diǎn)差試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

經(jīng)分析可知：相較基質(zhì)瀝青，加入納米灰分后，改性瀝青離析軟化點(diǎn)差均增大，且除SCBA改性瀝青各摻量軟化點(diǎn)差均為0.8 ℃外，其余試樣隨著納米灰分摻量增大，離析軟化點(diǎn)差增大。這可能是由于納米材料比表面積高，摻量越大材料發(fā)生團(tuán)聚可能性增加，進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)存穩(wěn)定性降低。另外，除6%WSA外，其余各瀝青試樣儲(chǔ)存穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求（≤2.5 ℃）。

3.3 PG高溫分級(jí)分析

前期探索性試驗(yàn)表明，加入植物灰分后，可在一定程度上提高瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*，降低相位角δ，這與大部分改性物質(zhì)對(duì)瀝青流變特性影響一致，本文不再贅述。為進(jìn)一步研究植物灰分對(duì)瀝青性能的影響，參照superpave有關(guān)PG分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究植物灰分對(duì)PG分級(jí)高溫指標(biāo)的影響。

根據(jù)DSR測(cè)試要求，由于PG分級(jí)測(cè)試溫度>46 ℃，因此采用直徑為25 mm、間隙為1 mm的測(cè)試板。采用應(yīng)變控制模式，改性瀝青試樣采用2%應(yīng)變控制水平，基質(zhì)瀝青采用10%應(yīng)變控制水平，測(cè)試頻率為10 Hz。當(dāng)車轍因子G*/sinδ下降至1 kPa時(shí)，自動(dòng)記錄為失效溫度，作為PG分級(jí)高溫溫度等級(jí)劃分依據(jù)。各試樣高溫失效溫度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)Superpave標(biāo)準(zhǔn)，瀝青高溫失效溫度定義為未老化瀝青車轍因子G*/sinδ<1 kPa（或老化瀝青<2.2 kPa）時(shí)的對(duì)應(yīng)溫度。PG分級(jí)等級(jí)以6 ℃為步長(zhǎng)進(jìn)行劃分，如基質(zhì)瀝青試樣失效溫度為61.2 ℃，對(duì)應(yīng)高溫等級(jí)為PG58。為對(duì)比分析，各試樣高溫等級(jí)匯總?cè)绫?所示。

除6%WSA外，隨著納米灰分摻量的增大，三種改性瀝青失效溫度均逐漸增大，且所有試樣PG高溫等級(jí)均較基質(zhì)瀝青提高1～2個(gè)等級(jí)。其中，6%RHA、4%WSA高溫等級(jí)均達(dá)到PG70，表明RHA與WSA可使瀝青具有良好的高溫性能。

4 結(jié)語(yǔ)

將三種植物廢料加工制備成納米灰分，通過(guò)對(duì)植物灰分特性以及植物灰分對(duì)瀝青常規(guī)指標(biāo)、儲(chǔ)存穩(wěn)定性和PG分級(jí)高溫等級(jí)的影響進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）與基質(zhì)瀝青相比，納米植物灰分改性瀝青針入度、延度降低，軟化點(diǎn)增加，表明納米廢棄植物灰分的摻入對(duì)瀝青具有硬化作用。

（2）離析軟化點(diǎn)差試驗(yàn)表明，除6%WSA外，植物灰分改性瀝青具有較好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，具備長(zhǎng)距離運(yùn)輸及長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存潛力。

（3）基于PG分級(jí)高溫分級(jí)要求，加入植物灰分后，瀝青高溫分級(jí)等級(jí)可提高1～2個(gè)等級(jí)，表明瀝青高溫性能得到有效增強(qiáng)。

（4）瀝青改性時(shí)，植物灰分摻量過(guò)大會(huì)造成團(tuán)聚，推薦RHA、SCBA、WSA最佳摻量分別為6%、6%、4%。

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑園園，龐少峰，趙向飛，等.生物質(zhì)秸稈的改性及其發(fā)泡材料的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].功能材料，2021，52（4）：4 071-4 082.

[2]王夢(mèng)夢(mèng)，李祖仲，龐蕭蕭，等.蔗渣纖維應(yīng)用研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工，2020，49（12）：3 132-3 136.

[3]Liu Kefei，Li Teng，Wu Chaofan，et al.Bamboo fiber has engineering properties and performance suitable as reinforcement for asphalt mixture[J].Construction and Building Materials，2021，290：123 240.

[4]Mongkol Krit，Chaturabong Preeda，Suwannaplai Arnonporn.Effect of Bagasse and Coconut Peat Fillers on Asphalt Mixture Workability[J].Coatings （Basel），2020，10（12）：1 262.

[5]Li Zuzhong，Zhang Xuelei，F(xiàn)a Chunguang，et al.Investigation on characteristics and properties of bagasse fibers：Performances of asphalt mixtures with bagasse fibers[J].Construction & building materials，2020，248：118 648.

[6]李振霞，陳淵召，周建彬，等.玉米秸稈纖維瀝青混合料路用性能及機(jī)理分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2019，32（2）：47-58.

[7]李祉頡，肖 婷，白獻(xiàn)萍，等.纖維素灰對(duì)瀝青混合料老化性能改善作用研究[J].中外公路，2018，38（4）：279-282.

3977501908267