農業廢灰改性瀝青研究

李毅

（浙江浙交檢測技術有限公司，杭州310015）

1 研究背景

植物或農作物收獲后產生的廢棄物主要由稻草、稻殼和甘蔗渣組成，大量農業廢棄物的產生帶來了嚴重的環境問題和與垃圾掩埋問題。農業廢料通常在工廠集中燃燒以用于能源生產，諸如小麥秸稈、稻草、稻殼、甘蔗渣、甘蔗秸稈、木秸稈和玉米芯等農作物殘渣在燃燒后會產生灰燼。傳統做法中將農業廢灰公開傾倒，這一做法極易污染地下水，且可用于傾倒農業廢灰的空間資源也彌足珍貴[1]。

從糧農組織報告中的數據表明，全球水稻、甘蔗和小麥的年產量分別為7.82×108t、1.9×109t和7.34×108t，1 t水稻會產生200 kg稻殼，1 t甘蔗大約產生250～270 kg的甘蔗渣，1 t小麥籽粒可產生1 300～1 400 kg麥秸，這些廢棄農作物殘渣在燃燒時會產生大量的農業廢棄物灰分（Agricultural Waste Ash，AWA），如何將這一類廢棄物合理處置成為研究人員探尋的方向。近年來，研究人員將農作物殘渣燃燒后的AWA用作瀝青改性，以改善瀝青的機械和耐久性能。文獻報道了使用稻殼灰（Rice husk ash，RHA）、甘蔗渣灰（Sugar Cane Bagasse Ash，SCBA）、小麥秸稈灰（Wheat Straw Ash，WSA）以及火山灰材料的實驗研究[2，3]。

由于交通荷載增加，路面實際使用壽命縮短，諸多研究人員開始探索評價路面性能的新方法以及使用可循環再生材料來進行瀝青改性。Zhang J.等[4]提出基礎斷裂能和韌性，以研究各種因素（裂縫深度、瀝青性能、溫度、瀝青標號）對低溫抗裂性能的影響。Ding X.等[5]比較粒狀橡膠瀝青（SCRA）和基質瀝青共混制備的再生瀝青混合物，研究表明，再生瀝青具有更好的高溫性能。其中，再生混合料(RAP）的最佳含量為50%，并且通過加入再生劑進一步提高了其低溫性能。Zhu J.等[6]對摻有再生混合料的高模量瀝青混合料的路面響應進行了研究。研究表明，通過使用改良的再生方法進行混合料生產以及在再生混合料含量達到40%的情況下，可以獲得更好的高溫性能和水穩定性能，但對低溫性能的影響不明顯。作為冷再生技術的最新進展，Chen T.等[7]對3種類型合成材料界面的微觀結構研究進行觀察，這些界面是將冷再生乳化瀝青(CRAEM)與新骨料和舊骨料共混設計而成，并基于力學性能和微觀觀察結果提出了一種優化后的CRAEM施工工藝。Arabani M.等[8]評價了RHA改性瀝青及其混合料的力學性能。結果表明，添加RHA提升了瀝青混合料的抗車轍性能和疲勞壽命。Sargn S.等[9]指出，RHA是一種適用于瀝青混合料的填料。研究表明，將50%RHA與50%石灰石填料共混添加改善了瀝青混合料的馬歇爾穩定度與流值。

本研究通過使用納米級農業廢棄物灰分對瀝青進行改性，選用了3種類型的AWA進行研究，分別是RHA、SCBA、WSA并研究其對瀝青的影響。

2 材料與試驗

2.1 材料

本研究采用浙江省某瀝青廠家提供的70號基質瀝青，其軟化點為48℃，25℃、針入度66（0.1 mm），15℃、延度為103 cm。此外，農業廢灰（RHA，SCBA和WSA）從當地農工產品回收處收集。

2.2 納米材料的制備

先將RHA、SCBA和WSA通過0.075 mm篩，再將其在行星式球磨機中以400 r/min的速度研磨10～12 h，以將相應的材料轉化為納米材料，球與材料的質量比為10∶1。

2.3 改性瀝青的制備

將納米RHA（nRHA）、納米SCBA（nSCBA）和納米WSA（nWSA）3種材料以不同的比例加入瀝青中進行改性。通常納米材料以2%～6%摻量摻入，因此，為每個nAWA選擇的摻量水平分別為瀝青質量的2%、4%和6%。為了在瀝青中實現nAWA的均勻混合，使用高速剪切儀在3 000 r/min下剪切60 min，溫度為163℃。

2.4 常規瀝青試驗

常規瀝青試驗如針入度、延度和軟化點分別按照標準中規定的程序進行，以測試添加每種nAWA后瀝青性能的變化。

2.5 農業廢灰表征試驗

為了檢查農業廢灰研磨后的顆粒大小和化學組成，分別使用了粒度分析儀、X射線衍射儀進行試驗。試驗詳細信息如下。（1）粒度分析：用純水作分散劑（折射率RI=1.33），將測試樣品浸入分散劑中，然后在30℃下超聲震蕩分離顆粒約10 min，最后使用激光散射在25℃的溫度下進行分析；（2）X射線衍射：使用X射線衍射儀在波長λ=1.5418 nm、掃描角（2θ）10～85°、溫度25℃以及掃描速率0.025°/0.4 s的條件下進行試驗。

3 結果與分析

3.1 農業廢灰表征試驗

首先，由粒度分析確定的nRHA，nWSA和nSCBA的平均粒度分別為28.21 nm，31.37 nm和24.66 nm。結果表明，該材料已被充分研磨至納米范圍（即1～100 nm）；其次，為了鑒定每種農業廢灰，如圖1所示WSA、SCBA和RHA 3種AWA中主要存在著無定形SiO2，其中，較低的彎曲峰代表著RHA和SCBA。此外，在2θ≈22°處形成的寬峰也證明RHA和SCBA存在大量無定形SiO2。但是，在2θ≈26.7°處觀察到一個小的強度峰，表明RHA和SCBA中還存在著少量SiO2處于結晶相，而WSA樣品中在2θ≈26.7°和2θ≈26.7°處觀察到的尖峰表明SiO2主要處于非晶態。

圖1 nAWA的XRD分析

此外，通過匹配軟件確定RHA、SCBA和WSA的結晶度分別為7.40%、8.57%和13.93%。最后，由X射線衍射（XRD）分析估算的RHA、SCBA和WSA中SiO2約為85%（質量分數）（RHA）、86%（質量分數）（SCBA）和79%（質量分數）（WSA），證實了SiO2是主要的化學成分。此外，每種AWA還存 在 少 量 的CaO、Al2O3、Na2O、K2O、MgO、MnO、SO3、Fe2O3、P2O4和TiO2。

3.2 均勻分散研究

通常，具有高儲存穩定性的改性瀝青意味著改性劑在其中分散性良好。因此，本節介紹基于存儲穩定性測試結果的色散研究，已有研究中定義均勻分離指數＜2.2即可。實驗所得分離指數分別為0.3（基質瀝青）、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）。結果表明，每種nAWA（除6%的nWSA外）均良好且均勻地分散在瀝青中，其分離指數在允許的范圍內，這表明這些改性瀝青儲存穩定性良好，而6%nWSA樣品儲存穩定性較差，這意味著6%的nWSA沒有均勻分散在瀝青中。這可能是因為大量的納米顆粒極易結團以及其較大的比表面積最終導致分散性差，儲存穩定性下降。

3.3 瀝青三大指標分析

與基質瀝青相比，隨著瀝青中nRHA含量的增加，nRHA改性樣品的針入度下降，nRHA改性瀝青針入度相比基質瀝青在2%、4%和6%摻量時分別降低約9%、18%和27%；在瀝青中加入nSCBA相應的摻量也獲得了類似的性能變化，在nSCBA 2%、4%和6%摻量時針入度分別下降了約6%、12%和17%；但是在nWSA改性瀝青中，摻量在4%之前針入度下降，在6%摻量時其針入度卻有增加，與基礎瀝青相比，2%nWSA和4%nWSA的混合針入度分別降低約15%和28%。

與基礎瀝青相比，nRHA、nWSA和nSCBA改性瀝青的延度都呈下降的趨勢，這與針入度下降硬度增加相關。nRHA在2%、4%和6%摻量時其延度分別下降10%、24%和36%；對于2%、4%和6%摻量的nSCBA改性瀝青，延度分別下降8%、14%和26%；同樣，nWSA在摻量2%和4%時延度分別下降了17%和38%；但是，在nWSA為6%時與基質瀝青相比延度增加9%。針入度與延度的下降表明瀝青變稠變硬，其抵抗變形的能力增加。

與上述結果一致的是，軟化點的結果表明nAWA的添加會導致瀝青變硬，因為除了6%nWSA以外，所有nAWA改性瀝青的軟化點都隨著摻量的增加而顯著提升。在nRHA摻量2%、4%和6%時軟化點分別上升約7%、10%和14%；在nSCBA摻量分別為2%、4%和6%時軟化點分別上升3%、6%和9%；nWSA在摻量分別為2%和4%時軟化點分別增加9%和14%，而在nWSA6%時其軟化點呈增大趨勢。較高的軟化點意味著瀝青具有較好的高溫抗車轍性能，但過量的nWSA可能會導致6%nWSA改性瀝青失去良好的儲存穩定性，這可能導致改性瀝青離析分層的現象。

4 結語

本文對納米農業廢灰（nRHA、nSCBA和nWSA）改性瀝青進行了研究，以探尋其作為路面可持續解決方案的適用性。將農業廢灰摻入瀝青中進行瀝青改性，并進行三大指標、粒度分析與XRD分析試驗，以檢查改性瀝青的路用性能、nAWA大小和化學元素變化。結果表明，nAWA改性瀝青針入度與延度降低、軟化點值升高，這表明nAWA的摻入增強了瀝青的高溫抗車轍能力。