陳開(kāi)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.高等級(jí)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心；5.長(zhǎng)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(jì)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(chǎng)上木質(zhì)素纖維的價(jià)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(jià)格為8 000～10 000元/t，致使SMA瀝青路面的整體造價(jià)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(guó)對(duì)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(jià)路用纖維，降低瀝青路面工程對(duì)木質(zhì)素纖維的依賴，推動(dòng)高質(zhì)量瀝青路面的鋪筑，同時(shí)降低工程造價(jià)。

甘蔗是中國(guó)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(lái)的發(fā)展重點(diǎn)。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(guò)有效的物理加工和化學(xué)改性，將蔗渣開(kāi)發(fā)成路用纖維具有巨大的潛能。國(guó)外對(duì)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(bào)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(shí)提高約13%。中國(guó)已有學(xué)者對(duì)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(duì)SMA瀝青混合料結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)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(duì)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(duì)AC-13、SMA-8的抗腐蝕性評(píng)價(jià)方法和材料的抗腐蝕性進(jìn)行了深入研究。未來(lái)，為推進(jìn)蔗渣纖維規(guī)?；瘧?yīng)用，必須開(kāi)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(jì)、路面施工控制等成套技術(shù)。

該文采用試驗(yàn)室研發(fā)制備的蔗渣纖維樣品，對(duì)比檢測(cè)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(yàn)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(yàn)材料

2.1 瀝青

試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果

由表1可知:SBS改性瀝青的各項(xiàng)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(cè)試結(jié)果

由表2可知:粗集料的各項(xiàng)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(cè)試結(jié)果

由表3可知:細(xì)集料的各項(xiàng)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(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 礦粉測(cè)試結(jié)果

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

2.5 纖維

試驗(yàn)采用3種不同類型的纖維進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)瀝青有良好的吸附性?？梢?jiàn)蔗渣纖維對(duì)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(cè)

3種纖維樣品的主要性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 纖維測(cè)試結(jié)果

由表5可知：蔗渣纖維的吸油率、耐熱性等各項(xiàng)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(duì)瀝青膠漿的黏溫特性的影響。研究采用布洛克黏度儀測(cè)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(yàn)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(duì)于瀝青質(zhì)量的纖維摻量為5.0%左右。試驗(yàn)中取0%、1%、3%、5%、7%、9%幾組摻量進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度取120、135和165 ℃，試驗(yàn)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(yàn)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(shí)，其增幅相對(duì)較緩；超過(guò)7%時(shí)，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(guò)大。蔗渣纖維增大瀝青膠漿的黏度，主要是因?yàn)槔w維能夠通過(guò)搭接形成加筋網(wǎng)絡(luò)，增大瀝青的蠕動(dòng)阻力，從而表現(xiàn)為黏度增大。摻量較小時(shí)，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(duì)象，SBS改性瀝青為對(duì)比參考，測(cè)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(yàn)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(yàn)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(guò)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?yàn)闉r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(dòng)性越大，瀝青本身流態(tài)特性對(duì)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(jí)配，相同的礦料級(jí)配對(duì)蔗渣纖維和木質(zhì)素顆粒纖維的路用性能進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證蔗渣纖維的實(shí)用性。

4.1 礦料級(jí)配

根據(jù)各檔礦料篩分結(jié)果，通過(guò)計(jì)算、調(diào)整、對(duì)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(jí)配曲線如圖4所示。

圖4 SMA-13礦料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)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(yàn)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(yàn)

試驗(yàn)中對(duì)3種纖維在不同油石比條件下的析漏試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)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(shí)，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(yàn)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(yàn)

為驗(yàn)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(duì)比，測(cè)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(cè)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(shí)，飛散損失率由大到小的排序?yàn)樾鯛钅举|(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(shí)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(yàn)證

對(duì)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(yàn)證，其馬歇爾穩(wěn)定度、高溫性能、水穩(wěn)性能和低溫性能測(cè)試結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

圖8 動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

圖9 殘留穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

圖10 低溫彎曲應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

由圖7～10可以看出：蔗渣纖維瀝青混合料高溫動(dòng)穩(wěn)定度超過(guò)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(xiàng)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(xiàng)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(guò)對(duì)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(duì)瀝青的吸附能力。蔗渣纖維的吸油率、耐熱性等各項(xiàng)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(diǎn)，大于7%時(shí)，黏度顯著升高。蔗渣纖維通過(guò)搭接形成三維加筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增大瀝青的蠕動(dòng)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(guò)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(dòng)性越大，瀝青本身流態(tài)特性對(duì)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(shí)，顆粒纖維的析漏損失率最大，蔗渣纖維次之，絮狀纖維最??；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(dòng)穩(wěn)定度超過(guò)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。