农业废灰改性沥青研究

李毅

（浙江浙交检测技术有限公司，杭州310015）

1 研究背景

植物或农作物收获后产生的废弃物主要由稻草、稻壳和甘蔗渣组成，大量农业废弃物的产生带来了严重的环境问题和与垃圾掩埋问题。农业废料通常在工厂集中燃烧以用于能源生产，诸如小麦秸秆、稻草、稻壳、甘蔗渣、甘蔗秸秆、木秸秆和玉米芯等农作物残渣在燃烧后会产生灰烬。传统做法中将农业废灰公开倾倒，这一做法极易污染地下水，且可用于倾倒农业废灰的空间资源也弥足珍贵[1]。

从粮农组织报告中的数据表明，全球水稻、甘蔗和小麦的年产量分别为7.82×108t、1.9×109t和7.34×108t，1 t水稻会产生200 kg稻壳，1 t甘蔗大约产生250～270 kg的甘蔗渣，1 t小麦籽粒可产生1 300～1 400 kg麦秸，这些废弃农作物残渣在燃烧时会产生大量的农业废弃物灰分（Agricultural Waste Ash，AWA），如何将这一类废弃物合理处置成为研究人员探寻的方向。近年来，研究人员将农作物残渣燃烧后的AWA用作沥青改性，以改善沥青的机械和耐久性能。文献报道了使用稻壳灰（Rice husk ash，RHA）、甘蔗渣灰（Sugar Cane Bagasse Ash，SCBA）、小麦秸秆灰（Wheat Straw Ash，WSA）以及火山灰材料的实验研究[2，3]。

由于交通荷载增加，路面实际使用寿命缩短，诸多研究人员开始探索评价路面性能的新方法以及使用可循环再生材料来进行沥青改性。Zhang J.等[4]提出基础断裂能和韧性，以研究各种因素（裂缝深度、沥青性能、温度、沥青标号）对低温抗裂性能的影响。Ding X.等[5]比较粒状橡胶沥青（SCRA）和基质沥青共混制备的再生沥青混合物，研究表明，再生沥青具有更好的高温性能。其中，再生混合料(RAP）的最佳含量为50%，并且通过加入再生剂进一步提高了其低温性能。Zhu J.等[6]对掺有再生混合料的高模量沥青混合料的路面响应进行了研究。研究表明，通过使用改良的再生方法进行混合料生产以及在再生混合料含量达到40%的情况下，可以获得更好的高温性能和水稳定性能，但对低温性能的影响不明显。作为冷再生技术的最新进展，Chen T.等[7]对3种类型合成材料界面的微观结构研究进行观察，这些界面是将冷再生乳化沥青(CRAEM)与新骨料和旧骨料共混设计而成，并基于力学性能和微观观察结果提出了一种优化后的CRAEM施工工艺。Arabani M.等[8]评价了RHA改性沥青及其混合料的力学性能。结果表明，添加RHA提升了沥青混合料的抗车辙性能和疲劳寿命。Sargn S.等[9]指出，RHA是一种适用于沥青混合料的填料。研究表明，将50%RHA与50%石灰石填料共混添加改善了沥青混合料的马歇尔稳定度与流值。

本研究通过使用纳米级农业废弃物灰分对沥青进行改性，选用了3种类型的AWA进行研究，分别是RHA、SCBA、WSA并研究其对沥青的影响。

2 材料与试验

2.1 材料

本研究采用浙江省某沥青厂家提供的70号基质沥青，其软化点为48℃，25℃、针入度66（0.1 mm），15℃、延度为103 cm。此外，农业废灰（RHA，SCBA和WSA）从当地农工产品回收处收集。

2.2 纳米材料的制备

先将RHA、SCBA和WSA通过0.075 mm筛，再将其在行星式球磨机中以400 r/min的速度研磨10～12 h，以将相应的材料转化为纳米材料，球与材料的质量比为10∶1。

2.3 改性沥青的制备

将纳米RHA（nRHA）、纳米SCBA（nSCBA）和纳米WSA（nWSA）3种材料以不同的比例加入沥青中进行改性。通常纳米材料以2%～6%掺量掺入，因此，为每个nAWA选择的掺量水平分别为沥青质量的2%、4%和6%。为了在沥青中实现nAWA的均匀混合，使用高速剪切仪在3 000 r/min下剪切60 min，温度为163℃。

2.4 常规沥青试验

常规沥青试验如针入度、延度和软化点分别按照标准中规定的程序进行，以测试添加每种nAWA后沥青性能的变化。

2.5 农业废灰表征试验

为了检查农业废灰研磨后的颗粒大小和化学组成，分别使用了粒度分析仪、X射线衍射仪进行试验。试验详细信息如下。（1）粒度分析：用纯水作分散剂（折射率RI=1.33），将测试样品浸入分散剂中，然后在30℃下超声震荡分离颗粒约10 min，最后使用激光散射在25℃的温度下进行分析；（2）X射线衍射：使用X射线衍射仪在波长λ=1.5418 nm、扫描角（2θ）10～85°、温度25℃以及扫描速率0.025°/0.4 s的条件下进行试验。

3 结果与分析

3.1 农业废灰表征试验

首先，由粒度分析确定的nRHA，nWSA和nSCBA的平均粒度分别为28.21 nm，31.37 nm和24.66 nm。结果表明，该材料已被充分研磨至纳米范围（即1～100 nm）；其次，为了鉴定每种农业废灰，如图1所示WSA、SCBA和RHA 3种AWA中主要存在着无定形SiO2，其中，较低的弯曲峰代表着RHA和SCBA。此外，在2θ≈22°处形成的宽峰也证明RHA和SCBA存在大量无定形SiO2。但是，在2θ≈26.7°处观察到一个小的强度峰，表明RHA和SCBA中还存在着少量SiO2处于结晶相，而WSA样品中在2θ≈26.7°和2θ≈26.7°处观察到的尖峰表明SiO2主要处于非晶态。

图1 nAWA的XRD分析

此外，通过匹配软件确定RHA、SCBA和WSA的结晶度分别为7.40%、8.57%和13.93%。最后，由X射线衍射（XRD）分析估算的RHA、SCBA和WSA中SiO2约为85%（质量分数）（RHA）、86%（质量分数）（SCBA）和79%（质量分数）（WSA），证实了SiO2是主要的化学成分。此外，每种AWA还存 在 少 量 的CaO、Al2O3、Na2O、K2O、MgO、MnO、SO3、Fe2O3、P2O4和TiO2。

3.2 均匀分散研究

通常，具有高储存稳定性的改性沥青意味着改性剂在其中分散性良好。因此，本节介绍基于存储稳定性测试结果的色散研究，已有研究中定义均匀分离指数＜2.2即可。实验所得分离指数分别为0.3（基质沥青）、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）。结果表明，每种nAWA（除6%的nWSA外）均良好且均匀地分散在沥青中，其分离指数在允许的范围内，这表明这些改性沥青储存稳定性良好，而6%nWSA样品储存稳定性较差，这意味着6%的nWSA没有均匀分散在沥青中。这可能是因为大量的纳米颗粒极易结团以及其较大的比表面积最终导致分散性差，储存稳定性下降。

3.3 沥青三大指标分析

与基质沥青相比，随着沥青中nRHA含量的增加，nRHA改性样品的针入度下降，nRHA改性沥青针入度相比基质沥青在2%、4%和6%掺量时分别降低约9%、18%和27%；在沥青中加入nSCBA相应的掺量也获得了类似的性能变化，在nSCBA 2%、4%和6%掺量时针入度分别下降了约6%、12%和17%；但是在nWSA改性沥青中，掺量在4%之前针入度下降，在6%掺量时其针入度却有增加，与基础沥青相比，2%nWSA和4%nWSA的混合针入度分别降低约15%和28%。

与基础沥青相比，nRHA、nWSA和nSCBA改性沥青的延度都呈下降的趋势，这与针入度下降硬度增加相关。nRHA在2%、4%和6%掺量时其延度分别下降10%、24%和36%；对于2%、4%和6%掺量的nSCBA改性沥青，延度分别下降8%、14%和26%；同样，nWSA在掺量2%和4%时延度分别下降了17%和38%；但是，在nWSA为6%时与基质沥青相比延度增加9%。针入度与延度的下降表明沥青变稠变硬，其抵抗变形的能力增加。

与上述结果一致的是，软化点的结果表明nAWA的添加会导致沥青变硬，因为除了6%nWSA以外，所有nAWA改性沥青的软化点都随着掺量的增加而显著提升。在nRHA掺量2%、4%和6%时软化点分别上升约7%、10%和14%；在nSCBA掺量分别为2%、4%和6%时软化点分别上升3%、6%和9%；nWSA在掺量分别为2%和4%时软化点分别增加9%和14%，而在nWSA6%时其软化点呈增大趋势。较高的软化点意味着沥青具有较好的高温抗车辙性能，但过量的nWSA可能会导致6%nWSA改性沥青失去良好的储存稳定性，这可能导致改性沥青离析分层的现象。

4 结语

本文对纳米农业废灰（nRHA、nSCBA和nWSA）改性沥青进行了研究，以探寻其作为路面可持续解决方案的适用性。将农业废灰掺入沥青中进行沥青改性，并进行三大指标、粒度分析与XRD分析试验，以检查改性沥青的路用性能、nAWA大小和化学元素变化。结果表明，nAWA改性沥青针入度与延度降低、软化点值升高，这表明nAWA的掺入增强了沥青的高温抗车辙能力。