蔗渣纖維增強橡膠瀝青路用性能研究

摘要：文章針對蔗渣纖維對橡膠瀝青路用性能的增強作用進行了研究，基于表面能理論分析蔗渣纖維與橡膠瀝青間的結(jié)合能力，并采用錐入度與DSR溫度掃描試驗評價蔗渣纖維粘附功與蔗渣纖維增強橡膠瀝青整體路用性能的相關(guān)性。研究表明：蔗渣纖維與橡膠瀝青間的結(jié)合能力強于木質(zhì)纖維，從而更難以被分離；橡膠瀝青摻入纖維后，其抗剪切能力得到明顯提升，蔗渣纖維對橡膠瀝青抗剪切能力的提升強于木質(zhì)纖維；蔗渣纖維在橡膠瀝青中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以提高其在高溫環(huán)境下的抗變形能力，蔗渣纖維對瀝青的增強能力強于木質(zhì)纖維。對比試驗結(jié)果可以推測，纖維和瀝青間的結(jié)合能力越強，纖維改性瀝青整體的路用性能也越優(yōu)秀。

關(guān)鍵詞：橡膠瀝青；蔗渣纖維；粘附功；高溫性能

中文分類號：U416.03A371173

0引言

我國于2020年明確提出了2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”的目標，同時交通強國行動計劃也提出要構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟的現(xiàn)代化綜合交通運輸體系。在此背景下，道路建設(shè)行業(yè)已開始摸索采用各類難以處理的固體廢棄物來增強路面的性能，同時減少用于處理這些固體廢棄物的能源，達到降低碳排放的目的。目前，采用廢胎膠粉作為改性劑的橡膠瀝青在廣西地區(qū)得到了大規(guī)模工程應(yīng)用，而高等級的橡膠瀝青路面常采用瀝青含量較高的SMA級配，通常SMA級配瀝青混合料中會加入纖維作為穩(wěn)定劑，吸附自由瀝青并增強混合料整體的力學(xué)性能［1-3］。廣西作為國內(nèi)甘蔗產(chǎn)量最高的地區(qū)，每年制糖工業(yè)都會產(chǎn)生大量甘蔗渣廢棄物，通常采用焚燒或填埋的方式處置這類廢棄物，然而這既不利于降低碳排放，也是對可利用資源的浪費。近年來的研究證明，從甘蔗渣中提取的蔗渣纖維可以替代目前廣泛使用的木質(zhì)纖維作為穩(wěn)定劑，將蔗渣纖維摻入瀝青中可以提高其各項路用性能［4-5］。本文著眼于蔗渣纖維對橡膠瀝青路用性能的增強作用，探究蔗渣纖維與橡膠瀝青的粘附性能對瀝青整體性能的影響。

1原材料與試驗方案

1.1原材料

本文采用的成品橡膠瀝青由廣西交科新材料科技有限責(zé)任公司提供，該橡膠瀝青性能滿足《橡膠瀝青施工技術(shù)規(guī)范》（DB45/T1098-2014），且在廣西地區(qū)有大范圍的工程應(yīng)用［6］，具備充分代表性。該橡膠瀝青的各項技術(shù)指標如表1所示。

本文采用的甘蔗渣由當?shù)刂铺瞧髽I(yè)提供，經(jīng)浸泡飽水、高速剪切、恒溫干燥和振動篩分等程序后制得用于試驗的蔗渣纖維。此外，本文還采用市售的成品道路用木質(zhì)纖維進行試驗對比。蔗渣纖維與木質(zhì)纖維的各項技術(shù)指標如表2所示。

1.2纖維與橡膠瀝青的表面能參數(shù)

材料的表面能是指在真空環(huán)境下材料維持原界面而不形成新界面所需的能量度量。由Young方程可知，固體材料的表面能可以通過測試各種表面能參數(shù)已知的探針液體在其表面的接觸角來計算得出［7］。

cosθ=γs－γslγl（1）

式中：θ——探針液體在固體材料表面的接觸角（°）；

γs——固體材料的表面能（mJ/m2）；

γl——探針液體的表面能（mJ/m2）；

γsl——固液界面的表面能（mJ/m2）。

此外，Owens和Wendt在已有表面能研究的基礎(chǔ)上提出，材料的表面能可以由表面能的極性分量與色散分量之和來表達［8］，則固體材料的表面能也可以由式（2）得出：

γsl=γs+γl-2γdsγdl-2γpsγpl（2）

式中：γds——固體材料的表面能色散分量（mJ/m2）；

γdl——探針液體的表面能色散分量（mJ/m2）；

γps——固體材料表面能極性分量（mJ/m2）；

γpl——探針液體的表面能極性分量（mJ/m2）。

則聯(lián)立式（1）和式（2）可得：

1+cosθ=2γds+2γps（3）

即通過采用多個表面能色散分量與極性分量已知的探針液體對固體材料進行接觸角測試，可以計算出固體材料表面能的色散分量與極性分量。本文通過該方法分別測試計算得出蔗渣纖維、木質(zhì)纖維和橡膠瀝青的表面能參數(shù)。

同時，根據(jù)材料之間粘附功的表達式，通過各種材料的表面能參數(shù)可以計算得出纖維與橡膠瀝青間的粘附功，并以此衡量橡膠瀝青與纖維穩(wěn)定劑之間的粘附能力［9］。粘附功的計算公式為：

Wa=2γdsγdl+2γpsγpl（4）

式中：Wa——兩種材料間的粘附功（mJ/m2）。

1.3試驗方案

本文聚焦于分析蔗渣纖維與橡膠瀝青間的粘附能力對改性瀝青整體路用性能的影響。先通過接觸角試驗獲取纖維與橡膠瀝青的表面能參數(shù)，并計算橡膠瀝青與纖維穩(wěn)定劑間的粘附功；然后采用錐入度和DSR測試評價纖維與瀝青的粘附功對改性瀝青整體性能的影響，并且分析蔗渣纖維與木質(zhì)纖維對橡膠瀝青增強作用的區(qū)別。

2試驗結(jié)果分析

2.1粘附性分析

本文采用蒸餾水、丙三醇和甲酰胺作為探針液體進行接觸角試驗。三種探針液體的表面能參數(shù)如表3所示；試驗測定的接觸角結(jié)果見表4。

由接觸角試驗結(jié)果可知，相較于兩種植物纖維，探針液體在橡膠瀝青上形成的接觸角更小，這意味著橡膠瀝青的親水性更低，

探針液體在其表面更難形成新的界面。同時，木質(zhì)纖維的接觸角結(jié)果略大于蔗渣纖維，說明兩種纖維的性質(zhì)較為接近，但木質(zhì)纖維更容易受到環(huán)境中水分的影響，吸水的能力也更強［10］。將接觸角結(jié)果代入式（3），計算出纖維與橡膠瀝青的表面能參數(shù)（見圖1）。

由圖1可知，三種材料的表面能排序依次為：蔗渣纖維＞木質(zhì)纖維＞橡膠瀝青。這說明蔗渣纖維相較于木質(zhì)纖維具有更強的維持界面能力，當作為穩(wěn)定劑添加進瀝青時，蔗渣纖維表現(xiàn)出的穩(wěn)定性更好，更難被外界環(huán)境影響。此外，兩種纖維的色散分量比例均遠低于極性分量，證明植物纖維是一種極性較強的材料。這種極性可能來源于植物的細胞壁結(jié)構(gòu)中含有的植物膠和硅化物［11］。而色散分量比例較高的橡膠瀝青展現(xiàn)的非極性性質(zhì)更強，說明橡膠瀝青與極性較強的植物纖維有著較好的相容性能。

根據(jù)纖維與橡膠瀝青的表面能參數(shù)，通過式（4）計算出兩種纖維分別與橡膠瀝青的粘附功，結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5粘附功結(jié)果可知，蔗渣纖維與橡膠瀝青的粘附功高于木質(zhì)纖維，說明蔗渣纖維與橡膠瀝青的結(jié)合能力更強，更難因外界環(huán)境的水、熱或荷載等因素而被剝離出瀝青。該結(jié)論說明，從甘蔗渣廢棄物中分離出的蔗渣纖維可以替代原本大量使用的木質(zhì)纖維，作為穩(wěn)定劑摻入橡膠瀝青中，以獲得結(jié)合性更強的纖維增強橡膠瀝青。

2.2錐入度分析

已有研究證明，采用針入度作為指標評價橡膠瀝青的稠度時，會因橡膠瀝青內(nèi)含的橡膠粉顆粒影響而難以得到準確的結(jié)果，因此推薦采用貫入質(zhì)量更大的錐入度試驗來評價橡膠瀝青的流動性［12］。錐入度剪切強度可以由式（5）計算。

τ=981Qcos2[JB（（]α2[JB））]πh2tan[JB（（]α2[JB））]（5）

式中：τ——抗剪切強度（kPa）；

Q——貫入錐質(zhì)量，取150 g；

α——貫入錐角度，取30°；

h——貫入深度（0.1 mm）。

分別在橡膠瀝青中摻入蔗渣纖維和木質(zhì)纖維（纖維質(zhì)量均為橡膠瀝青質(zhì)量的3%），制樣進行錐入度試驗，試驗溫度為25 ℃，得到的貫入深度與抗剪切強度見表6。

由表6試驗結(jié)果可知，摻入纖維后橡膠瀝青的抗剪切強度得到了顯著提升，提升幅度為4～5倍，說明纖維在橡膠瀝青內(nèi)部形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有助于提升瀝青在外界荷載下抵抗變形的能力［13-15］。同時，相較于木質(zhì)纖維，蔗渣纖維對橡膠瀝青的稠度提升更為明顯，這與粘附性測試結(jié)果相符，說明與橡膠瀝青粘附性更好的纖維材料可以帶來更強的抗變形能力。

2.3DSR溫度掃描分析

本文采用DSR試驗評價蔗渣纖維增強橡膠瀝青在高溫荷載環(huán)境下的抗變形性能，以模擬廣西地區(qū)的氣候與車輛荷載影響。試驗溫度區(qū)間為50 ℃～80 ℃，試驗頻率為10 rad/s。分別對橡膠瀝青和摻入3%木質(zhì)纖維的橡膠瀝青以及摻入3%蔗渣纖維的橡膠瀝青進行試驗，結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2～3試驗結(jié)果可知，在橡膠瀝青中摻入纖維后復(fù)數(shù)模量和車轍因子得到了一定程度的提高，50 ℃試驗條件下纖維可以提升瀝青整體的車轍因子達15%以上，證明纖維可以緊密吸附周圍瀝青［16］，使瀝青整體在高溫與荷載共同作用下的抗變形能力得到提高，有利于在高溫炎熱地區(qū)鋪筑抗車轍能力更強的橡膠瀝青路面。同時，在相同摻量下，蔗渣纖維對橡膠瀝青抗變形能力的提升高于木質(zhì)纖維，50 ℃條件下提升幅度約為20%，也可以推測纖維材料與瀝青的粘附功越高，瀝青整體的高溫穩(wěn)定性也越強。這可以說明，利用蔗渣纖維作為改性劑，在消耗了甘蔗渣廢棄物的同時也可以給瀝青帶來較好的性能提升。

3結(jié)語

（1）相較于木質(zhì)纖維，蔗渣纖維具有更高的表面能，其與橡膠瀝青間的粘附功也更高，說明蔗渣纖維與橡膠瀝青的結(jié)合能力更強，更難以被分離。

（2）摻入纖維的橡膠瀝青具有較強的抗剪切能力，抗剪切強度的提升幅度為4～5倍；蔗渣纖維提升橡膠瀝青抗剪切強度的能力高于木質(zhì)纖維，說明較高的粘附功可以帶來更緊密的結(jié)合，使瀝青整體的抗變形性能得到提高。

（3）纖維增強橡膠瀝青在高溫下的抗變形能力高于普通橡膠瀝青，這與纖維在瀝青內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)緊密吸附瀝青有關(guān)；粘附性較強的蔗渣纖維可以更好地提高瀝青整體的高溫穩(wěn)定性。

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作者簡介：楊猛（1984—），工程師，研究方向：土木工程。