玉米秸秆纤维改良沥青混合料路用性能研究

李旺明

摘要：沥青混合料在公路路面铺设中得到了广泛应用，因此通过改良沥青混合料的路用性能对于节约经济成本、保证公路安全具有重要意义。文章通过车辙试验、马歇尔试验、冻融强度试验等对玉米秸秆纤维改良沥青混合料的工程特性进行了研究，探讨了不掺纤维与掺玉米秸秆纤维沥青混合料之间的差异，并获得改良沥青混合料中玉米秸秆纤维的最佳掺量，为实际工程应用提供了良好的借鉴。

关键词：路面工程;玉米秸秆;纤维改良;沥青混合料

0 引言

沥青混合料在公路路面铺设中得到了广泛应用，因此通过改良沥青混合料的路用性能对节约经济成本、保证公路安全具有重要意义。目前，沥青混合料的改良手段主要是通过掺加植物纤维、化合物、外加剂等手段实现，但改良效果一直难以真正满足工程需要[1-4]。

针对改良沥青混合料的工程性能研究已经比较常见。芮遨宇等[5]为提高沥青混合料的性能，对复合改良沥青混合料展开了抗疲劳试验，发现改良混合料的抗疲劳破坏能力较原材料有大幅度提升。王晓峰[6]对SEBS改性剂在沥青中的使用进行研究，从EBS改性沥青胶浆的基本性能、离析程度、低温性能以及粘结性能进行研究，提出SEBS改性剂的使用能够有效提高沥青胶浆和沥青混合料的工作性能，并且能够有效延缓老化对沥青胶浆和沥青混合料的路用性能的影响，是一种性能良好的改性沥青。张祥[7]针对电缆复合沥青加热路面的融雪效率展开了研究，提出强度变化规律满足：碳纤维发热线复合沥青混合料试件>镍铬合金电缆复合沥青混合料试件>土工格栅电缆复合沥青混合料试件。许丁斌[8]以陈化6个月的梅山钢渣改良的沥青混合料为研究对象，提出表面改性处理的方式能够有效提高钢渣在道路工程中的应用性能，拓展钢渣在道路领域的应用范围。

本文依托于安徽省某高等级公路建设工程，通过实地现场考察，提出以本区域比较丰富的玉米秸秆为原材料，制备玉米秸秆纤维并研究玉米秸秆纤维改良沥青混合料的路用性能，旨在提高公路性能的同时降低工程建设成本。

1 研究背景与试验设计

1.1 工程背景

本次试验研究主要依托某高等级公路建设工程，该公路属于一级公路，区段总长度近20 km，主要承担地区小型家用轿车及低载卡车的运输工作。该公路处于安徽省南部，气候温暖湿润，农作物以玉米及水稻为主，考虑到玉米秸秆纤维的力学性质明显优于水稻秸秆，因此，结合经济成本因素，本次研究决定采用玉米秸秆纤维进行公路路面沥青混合料的改良。

1.2 材料制备

本次试验的研究对象为玉米纤维改良的沥青混合料。采用机械破碎法从玉米秸秆中获取纤维材料，之后进行烘干与筛选，经过室内检测得到玉米秸秆纤维如图1所示，玉米秸秆纤维的基本物理参数如表1所示。根据相关标准，改良沥青混合料中植物纤维应满足平均长度<6 mm、吸油率>5%且pH值处于6.5～8.5之间，由表1可知，本次试验所选取的玉米秸秆纤维能够满足上述要求。进一步对玉米秸秆纤维进行微观电镜扫描，由图1可知，玉米纤维表面凹凸不平，且多处有细枝探出，粗糙度大。

采用70号A级沥青制备混合料，矿料级配采用AC-16型级配范围进行取值，制备无纤维及含玉米秸秆纤维两种试样，油石比为5%。

1.3 试验方案

本次对于玉米纤维改良沥青混合料工程性能试验主要包括两个部分：玉米纤维最佳掺量试验与混合料路用性能试验。

试验的第一部分为确定玉米纤维改良沥青混合料中玉米纤维的最佳配比，设计5个不同纤维掺量的沥青混合料进行马歇尔试验，玉米秸秆纤维的掺量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%以及0.4%，从而可以获得不同玉米秸秆纤维掺量的玉米沥青纤维混合料的动稳定度、残留稳定度、劈裂强度比以及弯曲劲度模量，并基于上述试验结果分析得到玉米秸秆纤维的最佳掺量。

试验的第二部分的主要目的是研究玉米秸秆纤维改良的沥青混合料的路用功能，其主要流程如下：

（1）基于车辙试验动稳定度与相对变形量评价无纤维沥青混合料与玉米秸秆纤维改良沥青混合料的高温稳定性。

（2）根据冻融劈裂试验与浸水马歇尔试验结果，对无纤维沥青混合料与玉米秸秆纤维改良沥青混合料的水稳定性进行计算分析。

2 试验结果分析与讨论

2.1 最佳纤维掺量确定

由图2可知，随着玉米秸秆纤维掺量的逐渐增加，沥青混合料的参数均呈现出先上升后下降的变化趋势，且在玉米秸秆纤维掺量为0.2%时各参数均达到最大值。不掺玉米秸秆纤维的沥青混合料的动稳定度为1 160 mm/次，残留稳定度为85.03%，劈裂强度比为83.95%，弯曲劲度模量为2.58 GPa。而当玉米秸秆纤维掺量为0.2%时，上述4个参数分别相对提高18.36%、3.29%、3.57%及8.52%。由此可见，当玉米秸秆纤维掺量为0.2%时，改良沥青混合料的各项基本物理参数均达到最大值，因此0.2%为玉米秸秆纤维改良沥青混合料的最佳掺量。

2.2 耐高温性研究

采用车辙试验得出的动稳定度及相对变形量对玉米秸秆纤维改良的沥青混合料的高温稳定性进行评价，试验结果如表2所示。由表2可知，不掺纤维的沥青混合料动稳定度为1 160 mm/次，掺0.2%玉米秸秆纤维后其动稳定度提升幅度达到18.36%，提升效果明显，且变异系数更低。相对于无掺沥青混合料，改良混合料的相对变形量较低，且下降幅度达到27.69%。由于玉米秸秆纤维会主动导致自由沥青分子的吸附，因此其结构性沥青更多，稳定性更强。

2.3 水穩性研究

由表3可知，不掺纤维的沥青混合料与掺玉米秸秆纤维的沥青混合料的残留稳定度与劈裂强度比均能够达到规范要求，但相较于不掺纤维的沥青混合料，掺玉米秸秆纤维的沥青混合料的浸水强度与残留稳定度要更高，同时其冻融强度也更高。分析认为，由于玉米秸秆纤维提高了沥青混合料内部沥青的结构性，因此在水分渗入、流动过程中，被水分带走的沥青料大幅度减少，因此整体水稳性有着明显的提高。

3 结语

本文以不掺纤维沥青混合料与掺玉米秸秆纤维沥青混合料为研究对象，基于室内试验深入分析探讨了玉米秸秆纤维改良沥青混合料的路用性能。主要研究结果如下：

（1）玉米秸秆纤维改良沥青混合料的路用性能指标参数随玉米秸秆纤维掺量的逐渐增加均呈现出先上升后下降的变化趋势。当玉米秸秆纤维掺量为0.2%时，改良沥青混合料的各项基本物理参数均达到最大值，因此0.2%为玉米秸秆纤维改良沥青混合料的最佳掺量。

（2）掺玉米秸秆纤维的沥青混合料高温稳定性强于不掺纤维的沥青混合料。掺0.2%玉米秸秆纤维沥青混合料的动稳定度相对提升18.36，相对变形量下降达到27.69%。

（3）相较于不掺纤维的沥青混合料，掺玉米秸秆纤维的沥青混合料的浸水强度与残留稳定度要更高，同时其冻融强度也更高。

参考文献：

[1]王增先.浅析玻璃纤维对温拌沥青混合料路用性能的影响[J].中外建筑，2017（6）：247-249.

[2]李诗琦，李闯民，陈 桥.一种新型沥青混合料添加剂改性沥青混合料的路用性能试验研究[J].公路，2017，62（1）：54-59.

[3]赵 健，姬 勇.抗车辙剂（低温型）沥青混合料路用性能一例[J].四川水泥，2016（5）：341.

[4]申明丽，姜 鸿.分析硅藻土改性沥青混合料设计与路面施工技术[J].黑龙江交通科技，2016，39（5）：88-89.

[5]芮遨宇，程 鹏，张 腾，等.复合改性沥青混合料疲劳耐久性的试验研究[J].山西建筑，2019，45（1）：90-92.

[6]王晓峰.SEBS改性沥青胶浆和沥青混合料的性能研究[D].长春：吉林大学，2018.

[7]张 祥.电缆复合沥青加热路面层间稳定性及疲劳性能研究[D].合肥：合肥工业大学，2018.

[8]许丁斌.钢渣沥青混合料的材料及性能研究[D].南京：东南大学，2018.