改性玉米秸秆纤维SMA-13路用性能试验研究

摘要：为研究改性玉米秸秆纤维对玛蹄脂碎石混合料（stone matrix asphalt，SMA）-13路用性能的影响，在沥青混合料中加入质量分数分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%，长度分别为3、6、9 mm的改性玉米秸杆纤维，对沥青混合料进行车辙试验、小梁弯曲低温试验、冻融劈裂试验和铺面长期性能试验。试验结果表明：沥青混合料加入改性玉米秸秆纤维可提高动稳定度、最大弯拉应变、冻融劈裂强度比，减小因重复荷载作用而产生的车辙深度；改性玉米秸秆纤维质量分数较小时，随改性玉米秸秆纤维长度的增大，沥青混合料的路用性能增强，改性玉米秸秆纤维质量分数较大时，随改性玉米秸秆纤维长度的增大，沥青混合料的路用性能先增大后减小；改性玉米秸秆纤维长度相同时，随其质量分数的增大，沥青混合料的路用性能先增强后减弱，改性玉米秸秆纤维长度分别为3、6、9 mm，质量分数分别为0.8%、0.6%、0.4%时，沥青混合料路用性能最佳，其中改性玉米秸秆纤维长6 mm、质量分数为0.6%的沥青混合料路用性能最佳。

关键词：SMA-13；路用性能；改性玉米秸秆纤维；纤维长度；纤维质量分数

中图分类号：U447；U442.5+9文献标志码：A文章编号：1672-0032（2025）01-0068-06

0 引言

在沥青混合料中掺入纤维，可在一定程度上提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等路用性能[1-3]。常用的纤维材料有矿物纤维、合成纤维和木质素纤维，木质素纤维吸附沥青混合料中的自由沥青能力较强，对沥青混合料的路用性能提高效果显著，应用广泛[4-5]。大部分木质素纤维来源于原木，大规模使用会导致森林资源减少，违背道路建设的可持续发展原则[6-7]。

玉米秸秆纤维是环保、可再生的绿色材料，可规模化制备后掺入沥青混合料中，分析其在道路工程的性能[8-10]。徐豪等[11]采用NaOH改性玉米秸秆纤维，发现当沥青混合料中改性剂的质量分数为5%，浸泡30 min后，路用性能明显优于未改性玉米秸秆纤维，改性玉米秸秆纤维的技术参数与木质素纤维相当。Chen等[12]发现加入改性玉米秸秆纤维能显著增大沥青胶浆的软化点和复数模量，减小针入度和相位角。Wang等[13]发现改性玉米秸秆纤维的质量分数为1.5%～2.0%时，沥青混合料路用性能最佳。陈梓宁[14]发现在玛蹄脂碎石混合料（stone matrix asphalt，SMA）-13中的路用性能在改性玉米秸秆纤维质量分数为0.6%时最佳。现有研究主要集中于路用玉米秸秆纤维的改性工艺、单一因素条件下纤维质量分数对沥青胶浆和沥青混合料性能的影响，在多因素条件下，研究纤维质量分数和纤维长度对沥青混合料的路用性能的影响相对较少[15-16]。

本文采用车辙试验、小梁弯曲低温试验、冻融劈裂试验和铺面性能试验，系统评价改性玉米秸秆纤维沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和铺面长期性能，探讨沥青混合料在改性玉米秸秆纤维不同长度和质量分数下的道路性能，为玉米秸秆纤维沥青混合料在道路施工上的广泛应用提供理论依据。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（Styrene-Butadiene-Styrene，SBS）（I-D）改性沥青，技术指标如表1所示。絮状木质素纤维和自制改性玉米秸秆纤维主要性能指标如表2所示。将玉米秸秆通过万能粉碎机制得秸秆纤维，经过泡水、机械粉碎、晾干、筛分、NaOH溶液浸泡、冲洗、烘干等[17]工艺制得改性玉米秸秆纤维。

选择优质玄武岩为粗细集料，精细研磨的石灰岩粉为矿粉，材料性能均符合文献[18]的相关要求。

1.2 配合比设计

采用SMA-13沥青混合料，粒径分别为gt;10～15 mm、gt;5～10 mm、0～5 mm集料、矿粉的质量比为41∶34∶15∶10。通过马歇尔试验法确定不同质量分数w下不同改性玉米秸秆纤维长度的沥青混合料的最佳油石比，结果如表3所示。在沥青混合料中木质素纤维的质量分数为0.3%[19-20]，所制备的沥青混合料L-0.3%的最佳油石比为6.12%。

1.3 试验方法

通过车辙试验测试不同沥青混合料试件的高温稳定性。将不同改性玉米秸秆纤维长度、质量分数的的SMA-13级配车辙板及L-0.3%车辙板放入（60±1）°C的恒温箱中保温5 h（不超过12 h），将保温良好的车辙板安装在自动车辙仪的试验台上，试验轮压力为0.7 MPa，碾压速度为42次/min，往复碾压，碾压1 h后结束试验，计算动稳定度。

通过小梁弯曲低温试验测试不同沥青混合料试件的低温抗裂性。将棱柱体小梁放在恒温（-10 ℃±0.5 ℃）环境箱中保温1 h，将保温好的试件置于模块化机电伺服驱动沥青试验机上，以恒定加载速率对试件施加荷载直至试件破坏，计算最大弯拉应变。

通过冻融劈裂试验测试不同沥青混合料试件的水稳定性。将4个马歇尔试件放入温度为25 ℃的水浴箱中保温2.5 h，另外4个马歇尔试件先放入温度为-18 ℃的环境箱中冷却16 h，随后放入温度为60 ℃的恒温水浴中保温24 h，并转移恒温（25 ℃）水槽中保温2 h，保温结束后将试件置于马歇尔试验仪上，加载速度为50 mm/min至试件破坏，计算冻融劈裂强度比。

通过加速加载试验测试不同沥青混合料试件的铺面长期性能。课题组自主研发的铺面性能智能检测设备如图1所示。此设备由温度控制系统及加速加载系统构成，可测试在不同温度、不同行车荷载的共同作用下沥青混合料的抗车辙能力，也可测试单一环境条件下沥青混合料的长期性能。

对最佳纤维质量分数下3种改性玉米秸秆纤维长度的沥青混合料及L-0.3%车辙试件进行长期性能监测，研究不同纤维沥青混合料在不同荷载作用下的车辙变化规律。试验温度为60 ℃，荷载分别为0.7、0.9、1.1 MPa，转速为10 r/min，车轮每加载3 000次时记录1次车辙深度，加载27 000次时结束试验。

2 试验结果与分析

2.1 高温稳定性

不同改性玉米秸秆纤维长度、质量分数下，沥青混合料试件的动稳定度如表4所示。L-0.3%的动稳定度为4 995次/mm。

由表4可知：1）改性玉米秸秆纤维沥青混合料的动稳定度随改性玉米秸秆纤维在沥青混合料中质量分数的增大而先增大后减小，改性玉米秸秆纤维长度分别为3、6、9 mm，质量分数分别为0.8%、0.6%、0.4%时，改性玉米秸秆纤维沥青混合料的动稳定度最大，相应质量分数为对应长度改性玉米秸秆纤维沥青混合料动稳定度的最佳质量分数。2）改性玉米秸秆纤维长度为3 mm，质量分数分别为0.8%和1.0%时，或长度为6 mm，质量分数分别为0.6%、0.8%和1.0%时，或长度为9 mm，质量分数分别为0.2%、0.4%和0.6%时，沥青混合料的动稳定度均大于L-0.3%。

可通过适当增大改性玉米秸秆纤维的质量分数或选择较长的改性玉米秸秆纤维，在SMA-13中获得与木质素纤维相似的高温性能增强效果。随纤维质量分数的增大，改性玉米秸秆纤维在沥青混合料内部有效搭接形成紧密的三维网络结构，发挥加筋、增韧作用，提高沥青混合料的高温稳定性[21]。但改性玉米秸秆纤维质量分数过大，沥青混合料内部易出现纤维结团、凝聚等现象，降低纤维骨架网络结构的稳定性沥青混合料高温性能。

2.2 低温抗裂性

不同改性玉米秸秆纤维长度、质量分数下沥青混合料的最大弯拉应变结果如表5所示。通过小梁弯曲低温试验可知，L-0.3%的最大弯拉应变为2 613×10-6。

由表5可知：1）改性玉米秸秆纤维的最大弯拉应变随纤维在沥青混合料中质量分数的增大而先增大后减小，改性玉米秸秆纤维长度分别为3、6、9 mm，质量分数分别为0.8%、0.6%、0.4%时，改性玉米秸秆纤维沥青混合料的最大弯拉应变最大，相应质量分数为对应长度改性玉米秸秆纤维沥青混合料最大弯拉应变的最佳质量分数。2）掺入长度分别为3、6 mm，质量分数分别为0.6%、0.8%、1.0%，或长度为9 mm，质量分数分别为0.2%、0.4%、0.6%的改性玉米秸秆纤维时，沥青混合料的最大弯拉应变均大于L-0.3%。

可通过适当增大改性玉米秸秆纤维的质量分数或选择较长的改性玉米秸秆纤维，使其在沥青混合料中低温性能改善效果与0.3%木质素纤维相同。不同长度及质量分数对改性玉米秸秆纤维沥青混合料低温性能改善效果存在差异。改性玉米秸秆纤维长度增大，最佳质量分数减小，原因是长纤维和高质量分数会使沥青混合料中的纤维团更易相互缠绕，出现应力集中现象，诱发裂缝产生。为满足沥青混合料的低温使用要求，须合理选择改性玉米秸秆纤维长度及质量分数。

2.3 水稳定性

不同改性玉米纤维长度、质量分数下沥青混合料的冻融劈裂试验强度比如表6所示。由冻融劈裂试验可知，L-0.3%的冻融劈裂试验强度比为80.32%。

由表6可知：1）改性玉米秸秆纤维的冻融劈裂试验强度比随改性玉米秸秆纤维在沥青混合料中质量分数的增大而先增大后减小，改性玉米秸杆纤维长度分别为3、6、9 mm，质量分数分别为0.8%、0.6%、0.4%时，改性玉米秸秆纤维沥青混合料的冻融劈裂试验强度比最大，相应质量分数为对应长度改性玉米秸秆纤维沥青混合料冻融劈裂试验强度比的最佳质量分数。2）掺入长3 mm，质量分数分别为0.6%、0.8%、1.0%的改性玉米秸杆纤维，或长6 mm，质量分数分别为0.4%、0.6%、0.8%、1.0%，或长9 mm，质量分数分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%时，改性玉米秸秆纤维沥青混合料的冻融劈裂试验强度比均大于L-0.3%。

可通过适当增大改性玉米秸秆纤维的质量分数或选择较长的改性玉米秸秆纤维，在SMA-13中获得与木质素纤维相似的水稳定性增强效果。随改性玉米秸秆纤维质量分数的增大，不同长度纤维可增强改性玉米秸秆纤维与沥青间的吸附作用，构建纤维与沥青相互交织的骨架结构，增大集料表面的沥青膜覆盖厚度及沥青与集料间的黏附力，进行冻融循环劈裂试验后，改性玉米秸秆纤维沥青混合料的沥青剥落率较低，劈裂强度较高。

2.4 铺面长期性能

由2.1～2.3节可知，长3、6、9 mm的改性玉米秸秆纤维在沥青混合料的最佳质量分数分别为0.8%、0.6%、0.4%，分别记为C-3-0.8%、C-6-0.6%、C-9-0.4%。最佳纤维质量分数下，不同长度的改性玉米秸秆纤维及L-0.3%铺面长期性能试验结果如图2所示，模拟路面压强为0.7～1.4 MPa的不同交通荷载。

由图2可知：在4种纤维沥青混合料中，车辙深度的增长方式相似。随加载次数增大，车辙深度初期增速较快，曲线斜率较大，但随时间推移，增速放慢。主要原因是加载次数达到6 000前，沥青混合料处于骨料的压实阶段，在外荷载作用下排出间隙中空气，内部嵌合更紧密。进入沥青混合料流动阶段，沥青混合料在压密阶段的密实度增大，车辙深度增速较缓。随荷载水平增大，改性玉米秸秆纤维以最佳质量分数掺入沥青混合料时，车辙深度均小于木质素纤维沥青混合料，表明改性玉米秸秆纤维在提升沥青混合料的耐久性方面效果更显著，在沥青路面施工领域具备替代木质素纤维的潜力，为工程材料的绿色化与可持续发展提供新选择。

3 结论

1）在沥青混合料中掺入改性玉米秸秆纤维，提高沥青混合料的动稳定度、最大弯拉应变和冻融劈裂强度，车辙深度减小。

2）改性玉米秸秆纤维沥青混合料的动稳定度、最大弯拉应变和冻融劈裂强度比随纤维长度增大而先增大后减小；随加载次数增大，车辙深度初期增速较快，曲线斜率较大，但随时间推移，增速放慢。

3）在沥青混合料中掺入长6 mm、质量分数为0.6%的改性玉米秸秆纤维，沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性及铺面长期性能最佳，且优于木质素纤维质量分数为0.3%的沥青混合料。

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Experimental study on road performance of

modified corn stalk fiber SMA-13

Abstract：To study the effect of modified corn straw fibers on the performance of stone matrix asphalt （SMA）-13， modified corn straw fibers are added to the asphalt mixture. Under different mass fractions （0.2%， 0.4%， 0.6%， 0.8%， 1.0%） and lengths （3， 6， 9 mm） of the modified corn straw fibers， the asphalt mixture is subjected to rutting tests， beam bending low-temperature tests， freeze-thaw splitting tests， and surface performance tests. The results show that the addition of modified corn straw fibers can effectively improve the dynamic stability， maximum tensile strain， and freeze-thaw splitting strength ratio of the asphalt mixture， while reducing the rut depth caused by repeated loading. When the mass fraction of modified corn straw fibers is low， the performance of the asphalt mixture improves with the increase in fiber length. When the mass fraction of modified corn straw fibers is high， the performance of the asphalt mixture first increases and then decreases with the increase in fiber length. When the lengths of the modified corn straw fibers are the same， as the mass fraction increases， the performance of the asphalt mixture first enhances and then weakens. For modified corn straw fibers with lengths of 3， 6， and 9 mm， the best performance is achieved at mass fractions of 0.8%， 0.6%， and 0.4%， respectively， with the best performance observed in the asphalt mixture containing 6 mm long modified corn straw fibers at a mass fraction of 0.6%.

Keywords：SMA-13; road performance; modified corn stalk fiber; fiber length; fiber content