蔗渣纤维硅藻土复合改性沥青指标研究

2021-09-13刘卫东韦港荣李瑞娇

西部交通科技 2021年6期

刘卫东，韦港荣，李瑞娇

(1.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁 530007；2.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007；3.广西北部湾投资集团有限公司钦北高速公路改扩建工程建设指挥部，广西北海 536000)

0 引言

SMA(沥青马蹄脂碎石混合料)作为一种新型间断密实级配混合料，具有优越的高温抗车辙、低温抗裂以及水稳定性等路用性能，在沥青路面中得以广泛应用。目前，木质素纤维作为SMA的重要组成材料之一，其原材料主要依赖针叶木、阔叶木等森林资源，给生态环境保护带来巨大的压力，因此，亟须寻求新的木质素纤维原材料，助推公路交通基础设施的可持续发展。广西是国内最大的甘蔗种植基地，甘蔗制糖量占全国的60%。甘蔗渣是制糖的尾料，是一种可再生、廉价的植物纤维原料，其主要成分为纤维素(32%～48%)、半纤维素(19%～24%)以及木质素(23%～32%)[1]。回收利用蔗渣制备沥青路用纤维，具有纤维产出率高、制备工艺简单、生产成本低的优点，能提升蔗渣的附加值，减少沥青路面工程对木质素纤维的依赖和木材的消耗，为环保化利用蔗渣开辟了新途径。

通过对甘蔗渣进行浸泡、机械粉碎、筛分、表面改性以及干燥等处理，从而获得蔗渣纤维，将其替代传统的木质素纤维应用于沥青路面是农作物废弃物资源化利用在道路工程方向的研究热点。Li等[2]利用SEM扫描电镜、FTIR红外光谱、X射线等分析蔗渣纤维的微细观特征，并比较了掺入蔗渣纤维和木质素纤维的AC-13和SMA-13的路用性能，研究表明：两种纤维的沥青混合料路用性能相当，蔗渣纤维可替代木质素纤维。纤维沥青混合料作为沥青路面的上面层易受雨水以及酸性液体的腐蚀，吕鹏等[3-4]通过在室内模拟酸雨环境对蔗渣纤维沥青混合料的影响，结果显示：合理的蔗渣纤维掺量可改善混合料的抗腐蚀性。覃峰等[5]利用一系列抗腐蚀试验表明蔗渣纤维可作为SMA的纤维稳定剂。何壮彬[6]、陈开群等[7]通过复杂环境下的稳定试验和对比蔗渣纤维与传统木质素纤维的路用性能，进一步证实蔗渣纤维可显著改善混合料的力学性能。

目前，有关蔗渣纤维的研究主要针对蔗渣纤维沥青混合料的路用性能，关于木质素纤维和硅藻土改性沥青技术指标也有相关报道[8]，但是针对蔗渣纤维和硅藻土复合改性沥青三大指标的研究较少。本文通过正交试验分析蔗渣纤维掺量、硅藻土掺量和剪切时间等因素在不同水平下对沥青针入度、软化点和延度的影响，旨在为蔗渣纤维的规模化应用提供指导。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

根据广西地区的气候特征，选用常用的70#基质沥青作为改性对象，其技术指标满足规范要求，如表1所示。采用白色粉末的化学纯硅藻土，其主要技术参数如表2所示。甘蔗渣来源于广西南宁市某糖厂。甘蔗纤维的制备主要流程如下：(1)去除甘蔗渣中的杂质，将蔗渣和水混合，浸泡足够长的时间使得蔗渣软化；(2)采用物理机械方法制备纤维，选用转速合适的粉碎机，将浸泡充分的蔗渣和水混合物劈分一定时间(具体劈分时间与蔗渣原料的粗细、机械刀片类型、机械转速以及蔗渣加入量有关)；(3)将劈分后的蔗渣干燥、筛分以及进行适当的表面改性后即可获得试验用的蔗渣纤维。

表1 沥青技术指标表

表2 硅藻土技术指标表

在蔗渣纤维制备过程中加入了水，进行干燥处理后，蔗渣纤维易结团，而结团的蔗渣纤维直接影响其在沥青的均匀性，因此，结团的蔗渣纤维宜进行分散处理。如表3所示为蔗渣纤维的技术指标。由于该研究的蔗渣纤维未添加无机结合料提高其灰分含量，纯植物蔗渣纤维的灰分含量较低，与现行规范有一定的差异。然而，硅藻土在高温条件下，其质量损失较小，因此蔗渣纤维和硅藻土的混合可在一定程度上提升灰分含量。

表3 蔗渣纤维技术指标表

1.2 试验方案

蔗渣纤维和硅藻土都属于道路工程的增强材料，合适的蔗渣纤维和硅藻土含量均可提高沥青的技术指标。蔗渣纤维和硅藻土一并加入沥青中时，搅拌设备的剪切时间对沥青的改性效果有一定的影响。一般而言，剪切时间较短的蔗渣纤维和硅藻土在沥青中的分散均匀性差，对沥青性能指标影响较大，而搅拌时间过长的试验则消耗人力和物力。因此，采用该方案开展正交试验的主要因素为：蔗渣纤维掺量、硅藻土掺量和剪切时间。根据已有研究成果[4-8]，试验方案各因素水平为：蔗渣纤维掺量分别为0.2%、0.3%和0.4%(以沥青质量计)；硅藻土掺量分别为6%、8%和10%(以沥青质量计)；剪切时间分别为20 min、40 min和60 min。根据JTG E20-2011[9]和正交试验表L9(34)，测试蔗渣纤维和硅藻土复合改性沥青针入度、软化点和延度等技术指标的效果。

2 试验结果与分析

2.1 试验最优方案

软化点与沥青高温稳定性有关系，一般软化点高，有利其高温性能；延度与沥青的抗塑性变形能力有关，延度大，其塑性变形能力强；针入度是沥青分级的关键指标。如表4所示为蔗渣纤维硅藻土复合改性沥青三大指标试验结果，从表4可以看出：当蔗渣纤维掺量为0.4%、硅藻土掺量为6%以及剪切时间为40 min时，复合改性沥青的性能是最佳的，即蔗渣纤维硅藻土复合改性降低了沥青的延度和针入度，改善了沥青软化点，该研究结果与文献[8]中木质素纤维复合硅藻土改性沥青技术指标趋势一致。

表4 蔗渣纤维硅藻土复合改性沥青正交试验结果表

2.2 因素对指标的影响

为了进一步分析三因素对沥青各指标的影响，需根据表5计算三个影响因素对各指标的极差。如表5所示，影响针入度的因素排序为：蔗渣纤维掺量>硅藻土掺量>剪切时间。蔗渣纤维为线形颗粒，硅藻土为球形颗粒，蔗渣纤维掺量大意味着更多的蔗渣纤维交错分布在沥青中，由于纤维的加筋、桥接作用使得沥青的针入度变大。影响延度的因素排序为：硅藻土掺量>剪切时间>蔗渣纤维掺量。蔗渣纤维、硅藻土掺入至沥青中，由于蔗渣纤维和硅藻土的尺度远大于沥青各组分尺度，沥青与硅藻土、蔗渣纤维存在非连续的过度界面，影响了沥青均匀体系，导致改性后的延度显著降低；而颗粒状硅藻土无蔗渣纤维的加筋作用，剪切时间长短极大影响掺合物在沥青的分布特性，因此硅藻土掺量和剪切时间对延度的影响大于蔗渣纤维掺量。影响软化点的因素排序为：硅藻土掺量>剪切时间>蔗渣纤维掺量。硅藻土表面存在大量的微孔道，这些微孔道可吸附沥青组分，同时由于蔗渣纤维的吸油效果，使得沥青-硅藻土-蔗渣纤维产生一定的“锚固”作用，然而蔗渣纤维与硅藻土存在微空隙，合理的剪切时间可以消除或减弱微空隙对改性后沥青性能的影响。

表5 复合改性沥青指标极差分析表

2.3 因素影响指标趋势图

如图1(a)所示，当蔗渣纤维掺量为0.3%时，针入度降低值最小；当硅藻土掺量为6%时，针入度下降最不显著；而随着剪切时间的延长，针入度降低值却增加。由此说明，单独分析各因素水平下针入度的变化趋势，难以合理解释蔗渣纤维硅藻土复合改性沥青的针入度指标。如图1(b)所示，随着蔗渣纤维掺量的增加、剪切时间的延长，改性后沥青的延度增加；而随着硅藻土的掺量增加，其延度却不断降低。产生该趋势的原因为：掺合物虽然影响了沥青的连续体系，但是纤维在吸收沥青后，纤维之间相互桥接，合理的纤维含量、长时间的剪切可保证掺合物有利于减小延度的降低值；硅藻土无加筋作用，故掺量越高，沥青的延度值降低幅度越大。如图1(c)所示，蔗渣纤维掺量和剪切时间存在一个合理值，并非掺量大、剪切时间长就能显著改善沥青的软化点；硅藻土掺量为6%时，软化点提升效果最佳，随着其掺量的增加，软化点不断降低。