一种短细秸秆片增强沥青混合料的方法

摘要

本发明公开了一种短细秸秆片增强沥青混合料的方法，通过短细秸秆片尺寸分布与骨料间距分布相匹配来增强沥青混合料结构和性能。该方法基于沥青混合料试件的细观结构，首先统计骨料间距分布，在此基础上，结合拉拔试验确定短细秸秆片尺寸分布，最后按照上述尺寸分布选取秸秆片添加至沥青混合料中。该方法通过短细秸秆片在沥青混合料中的粘附、剪滞、桥联作用，以及对混合料裂纹扩展的阻滞效应实现增强作用。本发明能够帮助解决当前秸秆纤维化带来的环境污染、工艺复杂、成本高等问题，为农作物秸秆回收利用开辟新的途径。

说明书

技术领域

本发明涉及一种增强沥青混合料结构和性能的方法，具体涉及一种通过短细秸秆片尺寸分布与骨料间距分布相匹配来增强沥青混合料结构和性能的方法，涉及秸秆回收利用技术。

背景技术

农作物秸秆，资源丰富，纤维素含量高，具有强度大、密度小、有韧性等优点。将秸秆应用于化工、建筑、纺织等领域，开发高性能、环境友好的绿色材料是实现秸秆资源化利用的有效途径之一。秸秆作为加筋材料，与土拌合制作秸秆/土复合材料，具有较强的压缩性能、抗剪切能力与渗透能力，且加筋效果优于洋麻。秸秆与水泥混合可制成强度高、低价环保的建筑材料。将秸秆制作成块状物作为剪力墙填充物，可提高剪力墙抗剪切破坏能力和延展性能。

目前，秸秆用于路用建筑材料的研究多集中在秸秆纤维化的工艺方面。通常采用碱法蒸煮提取秸秆纤维。从秸秆中提取纤维，通常需要复杂的化学工艺，容易产生环境污染，并且成本较高，不利于秸秆在道路领域的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种短细秸秆片增强沥青混合料的方法，利用短细秸秆片尺寸分布与骨料间距分布相匹配增强沥青混合料结构和性能，以解决现有技术中秸秆用于路用建筑材料，秸秆纤维化带来的环境污染、工艺复杂、成本高等问题。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种短细秸秆片增强沥青混合料的方法，是利用短细秸秆片尺寸分布与骨料间距分布相匹配增强沥青混合料，包括如下步骤：

a、沥青混合料试件的骨料间距分布

1）、将沥青混合料试件进行切片，得到沥青混合料试件横截面；

2）、在沥青混合料试件横截面上，以横截面几何中心为原点，以相互垂直的两条直径为x轴和y轴，从原点开始，分别沿x、y方向作一组平行线；

3）、用直尺测量出每一条平行线上相邻骨料间的距离，并进行记录与统计，得到沥青混合料试件的骨料间距分布情况；

b、拉拔试验

1）、将短细秸秆片一端埋入至装有热沥青的试模中，设置不同埋入深度，固化、养护；其中，所述沥青和上述沥青混合料试件所用沥青一致；

2）、采用万能试验机将短细秸秆片从沥青中拉脱，并测量拉脱力；

3）、根据试验结果即拉脱与断裂的临界长度确定短细秸秆片在沥青中的最佳埋深度；

c、根据沥青混合料试件的骨料间距分布加和拉拔试验确定的最佳埋深度来确定沥青混合料中短细秸秆片的尺寸分布；

d、取沥青、骨料和上述尺寸分布的短细秸秆片，拌制短细秸秆片沥青混合料，其中，沥青、骨料的种类、比例和上述沥青混合料试件所用沥青、骨料一致。

其中，步骤d中各尺寸分布短细秸秆片的总掺量是短细秸秆片沥青混合料质量的0.01%～10%。

本发明通过短细秸秆片尺寸分布与骨料间距分布相匹配增强沥青混合料结构和性能，采用直接粉碎、直接添加的方式将秸秆应用于沥青混合料中，具有的有益效果包括：

（1）短细秸秆片尺寸分布与骨料间距相匹配，短细秸秆片使沥青混合料裂纹扩展的能量释放率减小，阻滞裂纹的扩展，真正起到加筋作用，提高了沥青混合料的抗裂性能。该方法通过短细秸秆片在沥青混合料中的粘附、剪滞、桥联作用，以及对混合料裂纹扩展的阻滞效应实现增强作用。

（2）将秸秆直接粉碎，直接添加至沥青混合料中，节约了成本，帮助解决当前秸秆纤维化带来的环境污染、工艺复杂、成本高等问题，为农作物秸秆回收利用开辟新的途径。

附图说明

图1是本发明的短细秸秆片增强沥青混合料结构的模型示意图。

图2是本发明的骨料间距测量统计方法示意图。

图3是本发明的秸秆埋深示意图。

图4是本发明实施例1的骨料间距统计结果（x方向）。

图5是本发明实施例1的骨料间距统计结果（y方向）。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释，但本发明的保护范围不受实施例所限制。

从秸秆中提取纤维，通常需要复杂的化学工艺，容易产生环境污染，并且成本较高，不利于秸秆在道路领域的推广应用。如果能将秸秆经过简单破碎后，直接添加到沥青混合料中，并能显著提高沥青混合料的路用性能，将会大幅提高秸秆在道路领域的应用价值，进而将减少农民焚烧、降低环境污染、节约各种人造和天然纤维的用量，为秸秆在建筑材料中的应用提供更有价值的新技术。

在沥青混合料中，骨料是按一定级配嵌锁在一起，对于确定级配的混合料，其骨料间距的分布是相对固定的。同样，短细秸秆片的尺度也具有一定的分布规律，并且秸秆片的尺度分布与沥青混合料中的骨料间距的分布密切相关。根据短纤维复合材料理论，如果短细秸秆片在沥青混合料中的长度分布能够与骨料间距分布相匹配，就能起到“加筋”作用并对混合料形成阻裂效应，如图1所示。因此，增强沥青混合料结构和性能的核心方法是在沥青混合料中添加尺寸分布与骨料间距相匹配的加筋材料。

本发明提供的通过秸秆片尺寸与骨料间距相匹配增强沥青混合料结构和性能的方法，所述短细秸秆片尺寸分布由骨料间距分布及拉拔试验结果综合确定。所述骨料间距分布根据沥青混合料试件的细观结构，通过计算统计骨料间距得到。所述短细秸秆片直接添加至沥青混合料中。

具体包括如下步骤：

a、沥青混合料试件的骨料间距分布

1）、将沥青混合料试件进行切片，得到沥青混合料试件横截面；

2）、在沥青混合料试件横截面上，以横截面几何中心为原点，以相互垂直的两条直径为x轴和y轴，从原点开始，分别沿x、y方向每间隔2mm作一组平行线，如图2所示；

3）、用直尺测量出每一条平行线上相邻骨料间的距离，并进行记录与统计，得到沥青混合料试件的骨料间距分布情况；

b、拉拔试验

1）、将短细秸秆片一端埋入至装有热沥青的试模中，设置不同埋入深度，固化、养护，如图3所示；其中，所述沥青和上述沥青混合料试件所用沥青一致；

2）、采用万能试验机将短细秸秆片从沥青中拉脱，并测量拉脱力；

3）、根据试验结果即拉脱与断裂的临界长度确定短细秸秆片在沥青中的最佳埋深度；

c、根据沥青混合料试件的骨料间距分布加和拉拔试验确定的最佳埋深度来确定沥青混合料中短细秸秆片的尺寸分布；

d、取沥青、骨料和上述尺寸分布的短细秸秆片，拌制短细秸秆片沥青混合料，其中，沥青、骨料的种类、比例和上述沥青混合料试件所用沥青、骨料一致；各尺寸分布短细秸秆片的总掺量是短细秸秆片沥青混合料质量的0.01%～10%。

实施例1

统计计算沥青混合料试件（沥青混合料类型为AC-13C，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）中T0702击实法制作）的骨料间距分布，具体步骤为：先将沥青混合料试件进行切片，得到沥青混合料试件横截面，在此横截面上，以截面几何中心为原点，以相互垂直的两条直径为x轴和y轴，从原点开始，分别沿x、y方向每间隔2mm作一组平行线。然后，用直尺测量出每一条平行线上相邻骨料间的距离并进行记录与统计，统计结果用直方图表示，如图4（x方向）、图5（y方向）所示。

由图4、图5可知：骨料间距在x方向、y方向的分布近乎相同，表明对于给定级配的沥青混合料，其骨料间距分布也相对固定，这为“由骨料间距分布推算秸秆片长度分布”的合理性提供了有力的证明。

本实施例采用当年生的小麦秸秆进行拉拔试验。麦秸秆片埋深的确定可通过单根麦秸秆片拉拔试验得到。试验方法是先将麦秸秆剪成50mm长的麦秸秆棒，再将麦秸秆棒沿长度方向剖成宽度为2mm的麦秸秆片，然后将麦秸秆片一端埋入至热沥青中（沥青和上述沥青混合料试件所用沥青一致），在常温下固化、在5℃条件下养护30min。最后，从麦秸秆片另一端施加拉力，将麦秸秆片从沥青中拉脱，并测量拉脱力，以此确定麦秸秆片与沥青间的界面强度及麦秸秆片的最佳埋深。分别以3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm作为麦秸秆片埋置深度进行拉拔试验。试验结果见下表：

麦秸秆片在沥青中的抗拔力主要来自于麦秸秆片表面与沥青间的摩阻力，且麦秸秆片与沥青接触面越长，摩阻力越大，当麦秸秆片埋深较浅时，摩阻力尚未达到麦秸秆片极限拉伸力，在单向拉力作用下，麦秸秆片完全脱粘于沥青。但当接触面长度超过一定值（本试验为≥7mm）时，摩阻力超过麦秸秆片极限拉伸力，麦秸秆片未被拉拔脱粘前便已断裂。由此可确定麦秸秆片在沥青中脱粘与断裂的临界长度为7mm。

骨料间距分布统计结果加和拉拔试验确定的最佳埋深得到麦秸秆片尺度级配：7.5mm占23.81%,8mm占16.5%，8.5mm占11.96%，9mm占8.98%，9.5mm占8.86%，10mm占5.43%,10.5mm占6.65%；其余为11mm～15mm，分别占极少部分。其中，骨料间距分布统计结果是x方向和y方向的平均值。

采用秸秆粉碎机制作短细麦秸秆碎片，并将粉碎的麦秸秆片进行筛分，并按长度分类、标识以备用。按照上述尺度级配称量各级长度的短细麦秸秆片，并按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）中T0703轮碾法制作麦秸秆片沥青混合料试件。需要说明的是为了使短细麦秸秆片拌合均匀，先将短细麦秸秆片与骨料（粗细集料）一起置于拌合机中，适当混合、拌匀后再加入沥青。本实施例中各尺寸分布短细麦秸秆片的总掺量是短细麦秸秆片沥青混合料质量的0.2%。本实施例中沥青混合料类型为AC-13C，矿料级配见下表，油石比为5.0%。本实例中沥青为中海70#沥青，由扬州润扬路面工程有限公司提供。

性能测试

采用三点弯曲试验方法，利用万能试验机测试短细麦秸秆片沥青混合料试件抗弯强度，并以此评价其抗裂性能。另外测试了AC-13C普通沥青混合料试件小梁抗弯强度，以供对照，试验结果见下表：

小梁弯曲试验结果显示：短细麦秸秆片沥青混合料试件的抗弯拉强度、劲度模量、较普通沥青混合料试件均有较大幅度的提高，其中抗弯拉强度提高了9%，劲度模量提高了6.8%。表明短细麦秸秆片的添加使沥青合料试件的抗开裂性能得到了增强。

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）要求对麦秸秆片沥青混合料试件进行了车辙试验，试验结果见下表：

车辙试验结果显示：与AC-13C普通混合料试件相比，短细麦秸秆片沥青混合料试件的动稳定度提高了54%，车辙深度减少了24%，表明短细麦秸秆片的添加使沥青混合料试件的高温稳定性得到了极大提升。这是由于骨料与骨料之间通过秸秆片两两相连，骨架的相互嵌锁作用得到了加强。