《Frontiers in Materials》：Corn straw fiber-modified asphalt for high-RAP recycled PAC-13 mixtures: preparation, rheology, and pavement performance
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引言： 玉米秸秆露天焚烧造成环境污染，而高掺量再生沥青路面（RAP）材料的再生沥青混合料需要足够的结合料性能以维持路面耐久性。本研究评估了玉米秸秆纤维作为生物基改性剂在高RAP掺量再生PAC-13混合料中的应用。
方法： 采用物理-机械法和化学碱处理法制备玉米
引言： 玉米秸秆露天焚烧造成环境污染，而高掺量再生沥青路面（RAP）材料的再生沥青混合料需要足够的结合料性能以维持路面耐久性。本研究评估了玉米秸秆纤维作为生物基改性剂在高RAP掺量再生PAC-13混合料中的应用。
方法： 采用物理-机械法和化学碱处理法制备玉米秸秆纤维，并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）评价处理条件。采用动态剪切流变仪（DSR）和弯曲梁流变仪（BBR）对含0.4%–2.0%纤维的沥青结合料进行测试。将选定的结合料用于制备含20%–60% RAP的再生PAC-13混合料，并评估其路用性能。
结果： 采用3% NaOH处理50 min的化学碱处理法所得纤维具有优异的热稳定性和吸油能力。最佳纤维掺量为1.2%，可改善结合料的高温抗剪切性能和低温应力松弛能力。随着RAP掺量的增加，最佳沥青用量、马歇尔稳定度、动稳定度、水稳定性及低温抗裂性能均有所下降，而空隙率则增加。在约40% RAP掺量下，所有关键性能指标均满足相关技术规范要求。
讨论： 在本研究所采用的材料和试验条件下，约40% RAP是玉米秸秆纤维改性再生PAC-13混合料的推荐上限掺量。
论文解读
一、研究背景与意义
沥青路面在复杂环境条件和持续交通荷载作用下，常出现开裂和车辙等典型病害，这些病害主要源于沥青材料固有的粘弹性局限，以及集料-沥青界面粘结缺陷所导致的界面破坏。纤维材料为解决上述问题提供了有效途径：纤维加入沥青基体后形成三维网络结构，可抑制沥青流动，增强高温抗变形能力、低温抗裂性能和水稳定性。然而，传统木质素纤维依赖原生森林资源，其生产过程消耗大量资源并造成生态破坏，与绿色可持续发展目标相悖。因此，寻找环境友好的替代纤维材料成为纤维改性沥青技术的重要研究方向。
与此同时，农作物秸秆作为主要农业副产物，年产量巨大但利用率低下。在中国，农作物秸秆总产量中有效利用率不足40%，其余部分常被焚烧或丢弃，造成严重环境污染和资源浪费。将秸秆纤维应用于沥青路面，既能实现农业废弃物的资源化利用，又能提升沥青路面的使用性能。已有研究表明，经适当处理的秸秆纤维可改善沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性能。其中，玉米秸秆纤维在提升改性沥青路面性能方面展现出较大潜力。
另一方面，中国公路网络正经历大规模养护，再生沥青路面（RAP）材料产量持续增加。高RAP掺量混合料面临关键技术挑战：老化沥青粘度增大、脆性增加，新旧沥青融合不完全，这些因素显著降低了再生混合料的低温抗裂性能和水稳定性。因此，将秸秆纤维改性沥青引入高RAP掺量混合料，有望通过纤维增强和桥接效应缓解沥青老化引起的性能衰减。
然而，现有研究仍存在三个知识空白：一是物理法与化学碱处理法制备玉米秸秆纤维的系统比较有限，微观机制尚不清晰；二是玉米秸秆纤维改性沥青高低温流变行为，特别是最佳纤维掺量的判定标准缺乏充分的实验支持；三是玉米秸秆纤维改性沥青在高RAP掺量再生混合料中的性能表现尚不明确。本研究正是针对上述问题展开系统研究。
二、主要关键技术方法
研究人员采用了以下主要技术方法：物理-机械法和化学碱处理法（3% NaOH溶液，60 °C，50 min）制备玉米秸秆纤维；傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）表征纤维化学结构和热稳定性；动态剪切流变仪（DSR）和弯曲梁流变仪（BBR）评价改性沥青高低温流变性能；马歇尔稳定度试验、谢伦堡析漏试验、肯塔堡飞散试验进行混合料配合比设计；车辙试验、低温间接拉伸试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价混合料路用性能。玉米秸秆原料采自中国河南省新乡市。
三、研究结果
纤维制备工艺优化： 物理-机械法最佳参数为浸泡3 h、粉碎2 min，纤维提取率73.94%，吸油比7.23。化学碱处理法最佳参数为3% NaOH处理50 min，纤维提取率74.33%，吸油比达峰值8.56。综合比较，碱处理法纤维吸油比高出14.1%，初始分解温度高出62 °C（292 °C vs 230 °C），纤维素纯度显著提升，各项指标均满足JT/T 533–2004技术要求。
改性沥青基本性能： 随纤维掺量增加，针入度和延度逐渐降低，软化点和针入度指数持续升高。纤维掺量1.2%时综合性能最优：针入度较基质沥青降低21.1%，软化点提高10.3%，延度保持22.4 cm仍满足规范要求。掺量超过1.6%后，延度降至19.6 cm以下，接近规范下限。
高温流变性能： DSR试验表明，纤维改性沥青的复数剪切模量（G）随纤维掺量增加而显著提高。64 °C时，1.2%掺量下G较基质沥青提高121.62%，相位角（δ）降低5.12%，表明弹性分量增加，高温抗剪切变形能力显著增强。
低温流变性能： BBR试验表明，1.2%掺量下?18 °C蠕变速率（m值）较基质沥青提高2.78%，应力松弛能力改善。但掺量超过1.2%后低温性能劣化，1.6%和2.0%掺量下m值分别降至0.345和0.350，均劣于基质沥青。
再生PAC-13混合料配合比设计： 随RAP掺量从20%增至60%，最佳沥青用量从5.0%降至4.2%，空隙率从18.5%增至25.2%，马歇尔稳定度从7.2 kN降至5.0 kN。RAP掺量超过40%后性能衰减明显加速。
高温稳定性： 车辙试验显示，动稳定度从20% RAP时的6,300次/mm降至60%时的4,200次/mm，降幅33.3%。40% RAP时动稳定度为5,350次/mm，满足规范不低于5,000次/mm的要求；50%时降至4,850次/mm，已不满足要求。
水稳定性： 残留稳定度从91.5%降至75.5%，冻融劈裂强度比从89.1%降至71.3%。40% RAP时冻融劈裂强度比为82.5%，仍满足不低于80%的规范要求；50%时降至76.5%，低于限值。
低温抗裂性能： 低温弯曲破坏应变从约3,050 με降至2,150 με，降幅29.5%。40%–60% RAP区间衰减速率显著加快，超过40%后破坏应变降至2,500 με以下。
施工和易性： 析漏损失从0.14%增至0.50%，肯塔堡飞散损失从5.0%增至17.04%。50% RAP后两者增速显著加快，60%时飞散损失超出规范限值。
四、讨论与结论
综合各项性能指标、施工要求和资源利用效率，研究人员推荐40% RAP为玉米秸秆纤维改性再生PAC-13混合料的上限掺量。在此掺量下，空隙率21.8%、稳定度6.3 kN、动稳定度5,350次/mm、冻融劈裂强度比82.5%、破坏应变2,700 με、析漏损失0.28%、肯塔堡飞散损失9.8%，所有关键指标均满足JTG/T 3350–03-2020规范要求，同时实现了较高的再生材料利用率。
本研究的主要结论如下：化学碱处理法是制备玉米秸秆纤维的最优工艺，3% NaOH处理50 min所得纤维吸油比8.25，初始分解温度292 °C，纤维素纯度和热稳定性显著优于物理机械法，各项指标均满足JT/T 533–2004技术要求；最佳纤维掺量为1.2%，此时改性沥青综合性能最优，高温抗剪切变形能力和低温应力松弛能力均得到改善；采用1.2%纤维改性沥青制备的再生PAC-13混合料，随RAP掺量增加各项性能呈系统性衰减；综合考虑性能指标、施工要求和资源利用效率，40% RAP为本研究条件下的推荐上限掺量。该研究为农作物秸秆资源化利用及生物质纤维在排水沥青路面再生工程中的应用提供了理论依据和技术参考。
