蔗渣與椰糠作為瀝青混合料填料適用性研究

秦 華,時(shí)蘭鶴，趙文明

(1.鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000；2.鄭州市公路事業(yè)發(fā)展中心，河南 鄭州 450000；3.鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450000)

由于瀝青路面較水泥混凝土路面具有較大的建養(yǎng)優(yōu)勢，故在我國大部分高等級(jí)公路建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)三級(jí)膠漿理論，瀝青膠漿是以填料為分散相而分散在高稠度瀝青介質(zhì)中的一種微分散系，填料的性能對(duì)瀝青膠漿及瀝青混合料具有重要影響?，F(xiàn)階段，國內(nèi)在制備瀝青混合料方面仍主要采用傳統(tǒng)的石灰?guī)r、礦粉等填料，而許多工業(yè)都采用了廢棄的天然材料，如各類秸稈、蔗渣、椰糠等，其中也有部分研究者將其運(yùn)用于瀝青改性方面，并研究了其對(duì)瀝青、瀝青混合料的相關(guān)影響?？紤]到大部分研究僅將其作為改性劑使用，摻量較小，如若能將其替換傳統(tǒng)礦粉填料，將可極大提高其利用率，并可有效降低植物廢料對(duì)環(huán)境的污染。

本文以常見的蔗渣與椰糠為研究材料，探討其作為瀝青混合料填料的適用性。首先對(duì)其微觀形貌與物理指標(biāo)進(jìn)行分析，然后研究蔗渣與椰糠作為填料對(duì)瀝青膠漿黏度的影響，最后探討其對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度、水穩(wěn)定性等路用性能的影響，以期為蔗渣、椰糠的廢料利用和瀝青混合料的填料選取提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 填料

選取2種礦物巖石研磨加工而成的填料：石灰?guī)r填料、花崗巖填料；2種廢棄植物填料：蔗渣、椰糠(見圖1)。其中，蔗渣與椰糠填料采用研磨機(jī)進(jìn)行加工，篩分后獲得0.075 mm以下部分作為填料使用。4種填料密度測試結(jié)果如表1所示。

(a) 蔗渣

表1 不同類型填料密度Tab.1 Densities of different types

由表1可知，蔗渣和椰糠的密度分別為0.38、0.29 g/cm，遠(yuǎn)低于石灰?guī)r和花崗巖的密度分別為2.62、2.58 g/cm；廢棄植物填料的密度約為礦質(zhì)填料的1/7～1/10。

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)4種填料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，測試結(jié)果如圖2所示。

(a)石灰?guī)r填料

從圖2可以看出，椰糠和蔗渣填料顆粒的微觀表面紋理相似，均呈片狀；而石灰石和花崗巖填料顆粒的微觀表面紋理較為粗糙。椰糠、蔗渣和石灰石填料的形狀比花崗巖填料的棱角性更明顯，黃崗巖顆粒整體較為圓滑。根據(jù)SEM比表面積測試結(jié)果(見表2)，石灰石、蔗渣和椰糠3種填料的的比表面積大小相近，且比花崗巖比表面積大50%以上。

表2 通過掃描電鏡成像估算表面積Tab.2 The surface area estimated by SEM imaging

1.2 瀝青混合料

瀝青采用70#基質(zhì)瀝青，相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)如表3所示?；旌狭项愋筒捎脗鹘y(tǒng)的AC-13混合料。

表3 70#基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Main technical indicators of matrix asphalt 70#

一般地，瀝青混合料粉膠比(填料與瀝青含量之比)宜控制在0.6～1.6。該比值可按等體積法進(jìn)行換算，根據(jù)常用礦粉與瀝青密度相關(guān)關(guān)系，換算后填料體積與瀝青體積之比約為20%～60%。由于蔗渣與椰糠填料密度較低，若按質(zhì)量法粉膠比進(jìn)行控制，會(huì)造成填料摻量過大。因此后續(xù)研究中采用等體積法進(jìn)行計(jì)算，即采用等體積植物纖維填料替代等體積礦質(zhì)填料的計(jì)算方法。

1.3 瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)

為研究填料對(duì)瀝青黏度特性影響，初選占瀝青體積比20%與40%蔗渣與椰糠填料進(jìn)行表觀黏度試驗(yàn)，每個(gè)試樣進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。采用布洛克費(fèi)爾德黏度計(jì)(RV)進(jìn)行表觀黏度測試，試樣質(zhì)量為(10±0.5)g，扭矩保持在(100±3)%。為研究轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青黏度的影響，采用不同試驗(yàn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析：20、40、60、80、100、150、200 r/min。

瀝青膠漿制備過程為：①加熱瀝青至160 ℃左右備用；②加入設(shè)計(jì)比例蔗渣或椰糠填料，在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min高速剪切機(jī)中攪拌1 h。初步探索性試驗(yàn)顯示，當(dāng)蔗渣與椰糠體積摻量為40%時(shí)，摻量過大，剪切較為困難，填料難以融入瀝青，故后續(xù)不進(jìn)行該摻量相關(guān)試驗(yàn)。

1.4 蔗渣和椰糠填料瀝青混合料性能評(píng)價(jià)

為控制其他參數(shù)對(duì)瀝青混合料性能影響，通過基質(zhì)瀝青確定最佳油石比，其余各填料采用與其一致的油石比進(jìn)行瀝青混合制備，油石比為5.0%。但考慮填料對(duì)膠漿黏度的影響，試驗(yàn)采用不同的拌和與擊實(shí)溫度，確定了瀝青混合料試件制備溫度組合。

(1)條件1(不考慮膠漿黏度)：拌和溫度為(155±3)℃；擊實(shí)溫度為(142.5±2.5)℃；

(2)條件2(考慮膠漿黏度)：拌和溫度為黏度在(0.17±0.02)Pa·s 時(shí)對(duì)應(yīng)溫度；擊實(shí)溫度為黏度在(0.28±0.03)Pa·s 時(shí)對(duì)應(yīng)溫度。

試驗(yàn)根據(jù)《瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 20—2011)進(jìn)行瀝青混合料穩(wěn)定度試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)以及低溫小梁彎曲試驗(yàn)。

2 蔗渣與椰糠對(duì)瀝青膠漿黏度影響

根據(jù)三級(jí)膠漿理論，瀝青膠漿作為瀝青混合料重要組成成分，對(duì)混合料性能具有決定性影響。其中，黏度作為瀝青膠漿重要指標(biāo)，對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能及施工和易性起著重要作用。為確定合適的廢棄作物填料替代摻量，采用黏度法對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行研究。為驗(yàn)證低摻量瀝青膠漿在高溫條件下是否為牛頓流體，對(duì)不同剪切速率下的膠漿黏度進(jìn)行了測試。圖3為不同填料瀝青膠漿在150、170 ℃ 2個(gè)溫度條件下黏度試驗(yàn)結(jié)果，其中圖3為瀝青膠漿黏度與剪切速率之間關(guān)系。

圖3 不同填料膠漿黏度與剪切速的關(guān)系Fig.3 Relationship between viscosity and shear speed of different packing slurry

由圖3可以看出，低填料摻量(20%)下，瀝青膠漿在溫度150～170 ℃內(nèi)呈現(xiàn)牛頓流體特性。在同一溫度條件下，隨剪切速率變化，瀝青膠漿幾乎為一定值，呈現(xiàn)典型牛頓流體力學(xué)特性。這是由于隨著溫度升高，瀝青由粘彈性體向牛頓流體轉(zhuǎn)變，其當(dāng)填料摻量較低時(shí)，并為改變其牛頓流體特性。同時(shí)，可推測當(dāng)溫度超過170 ℃時(shí)，低填料摻量(20%)瀝青膠漿仍可呈現(xiàn)牛頓流體特性。

對(duì)基質(zhì)瀝青、20%摻量條件的4種瀝青膠漿進(jìn)行黏度測試，剪切速率取20 r/min、溫度為150～180 ℃條件測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溫度下瀝青及瀝青膠漿黏度Fig.4 Bitumen and asphalt glut viscosity at different temperatures

(1)摻加填料后瀝青膠漿黏度增加。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，瀝青或?yàn)r青膠漿黏度對(duì)數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，比較4種瀝青膠漿黏度與基質(zhì)瀝青黏度，膠漿黏度顯著大于基質(zhì)瀝青。這是由于加入填料后，填料吸附瀝青形成容重更大的瀝青膠漿，增加了黏度計(jì)測試轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)阻力，表現(xiàn)為黏度增大；

(2)在相同摻量(20%)條件下，椰糠和蔗渣瀝青膠漿在各溫度條件下的黏度均與石灰?guī)r膠漿黏度相近。在溫度150～180 ℃條件下，椰糠、蔗渣和石灰?guī)r填料的瀝青膠漿黏度分別為0.417～0.467、0.283～0.316、0.207～0.223和0.150～0.173 Pa·s。而花崗巖填料瀝青膠漿黏度較低，黏度為0.11～0.33 Pa·s。這一結(jié)果可以通過填料的微觀形貌來解釋，由SEM圖可看到，花崗巖填料顆粒比其他填料更圓潤，表面微觀紋理最少，這與文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)論一致。

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F 40—2004)要求，基質(zhì)瀝青混合料拌和與壓實(shí)溫度一般采用瀝青黏度進(jìn)行確定。其中，以(0.17±0.02)Pa·s對(duì)應(yīng)溫度為混合料拌和溫度，以(0.28±0.03)Pa·s為混合料壓實(shí)溫度。為研究不同填料對(duì)瀝青混合料作業(yè)溫度的影響，參照基質(zhì)瀝青拌和溫度確定標(biāo)準(zhǔn)，以上述2個(gè)黏度范圍確定各瀝青膠漿拌和與壓實(shí)溫度，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同瀝青或?yàn)r青膠漿拌和與壓實(shí)溫度Tab.4 Different asphalt or asphalt cement slurry mixing with the compaction temperature

從表4可以得知，采用瀝青膠漿進(jìn)行拌和與碾壓溫度確定時(shí)，應(yīng)考慮填料對(duì)瀝青黏度變化的影響。相比基質(zhì)瀝青，摻加填料的瀝青膠漿拌和與壓實(shí)溫度提高了10～24 ℃；相比石灰?guī)r瀝青膠漿，椰糠與蔗渣填料略微增大了拌和與碾壓溫度，花崗巖瀝青膠漿降低了拌和與碾壓溫度約10 ℃。因此，若以瀝青膠漿和易性確定瀝青施工溫度時(shí)，添加20%蔗渣與20%椰糠的瀝青膠漿施工溫度應(yīng)與20%摻量石灰?guī)r填料相當(dāng)；而摻加花崗巖填料時(shí)，施工溫度則可顯著降低。

3 蔗渣與椰糠填料對(duì)瀝青混合料性能影響

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)相同試驗(yàn)溫度、根據(jù)瀝青黏度確定試驗(yàn)溫度的2種試驗(yàn)條件分別進(jìn)行瀝青混合料性能試驗(yàn)。

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

分別按前述2個(gè)不同試驗(yàn)溫度條件進(jìn)行瀝青混合料馬歇爾試件制備，其中在條件1(按基質(zhì)瀝青黏度確定試驗(yàn)溫度)下瀝青混合料穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果(條件1)Tab.5 Marshall stability test results (Condition 1)

從表5可以得知，椰糠填料混合料穩(wěn)定性最高為9.66 kN，對(duì)應(yīng)流值為2.77 mm；蔗渣混合料的穩(wěn)定性最低為8.69 kN，對(duì)應(yīng)流值為2.62 mm?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F 40—2004)規(guī)定，高等級(jí)公路穩(wěn)定度應(yīng)不小于8 kN，流值為2～4 mm，上述所有試樣均滿足限定要求。

根據(jù)表4確定的試驗(yàn)溫度進(jìn)行瀝青混合料拌和與擊實(shí)，在條件2(按瀝青膠漿黏度確定試驗(yàn)溫度)下瀝青混合料穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果(條件2)Tab.6 Marshall stability test results (Condition 2)

從表6可以得知，椰糠填料混合料穩(wěn)定性仍最高為11.21 kN，對(duì)應(yīng)流值為3.33 mm；蔗渣混合料的穩(wěn)定性仍最低為9.21 kN，對(duì)應(yīng)流值為3.321 mm；表明提高瀝青混合料試驗(yàn)溫度后，馬歇爾穩(wěn)定度與流值變化趨勢仍然保持不變。對(duì)比2個(gè)條件下馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，穩(wěn)定度與流值均增大；其中，穩(wěn)定度增大表明瀝青混合料抗變形能力增強(qiáng)，流值增大則是由于有混合料可承受彈性變形形變能力增強(qiáng)。

3.2 路用性能

水穩(wěn)定性

為研究不同填料瀝青混合料水穩(wěn)定性，采用表6“條件2”中確定的試驗(yàn)溫度進(jìn)行瀝青混合料拌和與擊實(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同填料瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比Fig.5 Freeze-thaw split strength ratio of different filled asphalt mixture

由圖5可以看出，對(duì)比不同填料混合料TSR值，按大小排序依次為：石灰?guī)r、蔗渣、椰糠、花崗巖。除花崗巖填料瀝青混合料外，瀝青混合料試件TSR值均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)(下稱《施工規(guī)范》)規(guī)定大于等于75%要求。表明蔗渣與椰糠作為瀝青混合料填料時(shí)可使其水穩(wěn)定性滿足要求，具有工程應(yīng)用的潛質(zhì)。但花崗巖填料TSR值僅為72%，不符合規(guī)范要求；這可能是由于黃崗巖為酸性集料，與瀝青粘附性差，若將其替代傳統(tǒng)石灰?guī)r礦粉，可能會(huì)導(dǎo)致水損害。

高溫穩(wěn)定性

采用表6“條件2”中確定的試驗(yàn)溫度進(jìn)行瀝青混合料拌和與擊實(shí)，成型車轍板試件進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同填料瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度Fig.6 Dynamic stability of different fill asphalt mixture

由圖6可知，高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，蔗渣與椰糠填料對(duì)應(yīng)混合料高溫穩(wěn)定性顯著小于2種礦質(zhì)填料制備的混合料，表明替換部分礦質(zhì)填料后會(huì)導(dǎo)致高溫穩(wěn)定性呈現(xiàn)一定下降趨勢。但所有試樣均滿足《施工規(guī)范》對(duì)夏炎熱地區(qū)動(dòng)穩(wěn)定度大于等于1 000 次/mm的要求。

低溫穩(wěn)定性

采用表6“條件2”中確定的試驗(yàn)溫度進(jìn)行瀝青混合料拌和與擊實(shí)，成型車轍板試件后切割制備成小梁試件，并進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同填料瀝青混合料低溫破壞應(yīng)變Fig.7 Low-temperature damage strain of different filling asphalt mixtures

由圖7可知，低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，蔗渣與椰糠填料對(duì)應(yīng)混合料低溫性能較傳統(tǒng)石灰?guī)r填料對(duì)應(yīng)混合料低，但較花崗巖填料對(duì)應(yīng)混合料高。同時(shí)，由表中標(biāo)記可看到，蔗渣與椰糠作為填料制備的混合料可以滿足《施工規(guī)范》對(duì)嚴(yán)寒區(qū)低溫性能要求。其中，花崗巖填料對(duì)應(yīng)破壞應(yīng)變最小，表明花崗巖作為填料使用時(shí)，會(huì)對(duì)各項(xiàng)路用性能產(chǎn)生影響，如需使用應(yīng)進(jìn)行全面評(píng)估。綜合路用性能可知，蔗渣與椰糠可作為填料在瀝青混合料中推廣使用。

4 結(jié)語

(1)在20%的填料摻量下(占瀝青體積比)，椰糠和蔗渣填料的瀝青膠漿黏度與石灰石填料的膠漿黏度相當(dāng)；

(2)相比傳統(tǒng)的基于瀝青黏度施工溫度確定方法，基于瀝青膠漿黏度的試驗(yàn)溫度確定方法具有更好的科學(xué)性，對(duì)應(yīng)混合料穩(wěn)定度得到顯著提升；

(3)椰糠和蔗渣填料對(duì)應(yīng)瀝青混合料穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、動(dòng)穩(wěn)定度均符合規(guī)范要求，低溫破壞應(yīng)變符合冬寒區(qū)限定要求。表明椰糠和蔗渣作為瀝青混合料填料具有良好的潛在性能。