瀝青路面增強(qiáng)用棉秸稈纖維的制備及性能研究

胡潔瓊，趙國(guó)棟，劉開平，劉競(jìng)怡

（1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，西安710065；2.黃河中上游管理局，西安710021；3.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710064）

瀝青路面增強(qiáng)用棉秸稈纖維的制備及性能研究

胡潔瓊1，趙國(guó)棟2，劉開平3，劉競(jìng)怡3

（1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，西安710065；2.黃河中上游管理局，西安710021；3.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710064）

秸桿是我國(guó)一項(xiàng)潛力巨大的生物質(zhì)資源，研究其價(jià)值并進(jìn)行利用對(duì)于可持續(xù)發(fā)展意義重大。論文通過機(jī)械方法將棉花秸桿制備成瀝青路面增強(qiáng)用秸稈纖維，并研究了其路用性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，秸稈的浸泡程度及含水量對(duì)纖維的制備效果有重要影響。制備秸稈纖維時(shí)，預(yù)先將秸桿碾壓，并適當(dāng)提高浸泡溫度，延長(zhǎng)浸泡時(shí)間，均有利于纖維制備。但隨著溫度的升高及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，秸桿纖維的顏色變深，加熱后碾壓破碎率上升，其纖維瀝青膠漿的延度降低。因此，纖維瀝青混合料拌和與施工中，應(yīng)適當(dāng)縮短加熱拌合及施工時(shí)間，以減少瀝青與纖維的熱氧老化及碳化。

棉秸稈纖維；纖維制備；纖維瀝青膠漿；纖維瀝青混合料；路用性能

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.138

1 概述

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，小麥、棉花等農(nóng)作物生產(chǎn)每年都會(huì)產(chǎn)生大量的秸桿，但90%以上的秸桿資源未得到合理的開發(fā)和利用，不僅造成了巨大的資源浪費(fèi)，而且秸桿焚燒造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。作為副產(chǎn)物的秸稈，其組成與木材類似，若能加工成生物纖維材料，就可以得到高價(jià)值的利用，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在瀝青混合料中摻加纖維可以改善瀝青混合料的路用性能，提高路面的使用年限，降低養(yǎng)護(hù)成本，近年來，在我國(guó)高速公路中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。因此，將秸桿作為纖維類生物質(zhì)資源，對(duì)我國(guó)交通的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

2 試驗(yàn)原料、儀器設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)原料

秸桿使用來自新疆及陜西等地的棉花；木質(zhì)素纖維使用

市售瀝青路面用木質(zhì)素纖維，質(zhì)量要符合《瀝青路面用木質(zhì)素纖維》（JT/T 533-2004）的技術(shù)指標(biāo)要求；滲透劑使用快速滲透劑OT，屬陰離子型表面活性劑瀝青；AS90#基質(zhì)瀝青混合料；AC-13瀝青混合料及SMA-13級(jí)配瀝青混合料水。

2.2 儀器制備

秸桿纖維加工設(shè)備：市售刀片式粉碎機(jī)及錘式粉碎機(jī)；掃描電子顯微鏡；日立S-4800型，掃描電子顯微鏡；JJYMX-1纖維吸油率測(cè)定儀；LYY-9B調(diào)溫調(diào)速瀝青延度儀；CZ-4車轍試樣成型儀；HYCZ-5型自動(dòng)車轍試驗(yàn)機(jī)；烘箱、電爐、玻璃棒，燒杯、網(wǎng)籃等。

2.3 秸稈纖維制備

先清理秸稈中的泥土及雜物，然后放入滲透劑的溶液中浸泡7d左右，取出瀝水，自然晾干至飽和面干狀態(tài)，再切割成長(zhǎng)度為8～10mm的碎段，放入不同的粉碎機(jī)中進(jìn)行劈分，得到秸桿纖維。

2.4 秸桿纖維性能測(cè)試

采用光學(xué)及電子顯微鏡進(jìn)行纖維形貌觀察及長(zhǎng)徑比測(cè)定，采用烘干稱重法測(cè)定纖維的含水率。

以纖維對(duì)基質(zhì)瀝青的吸附量表征纖維的吸油率；以纖維在不同溫度及不同保溫時(shí)間下的熱失重、加熱后顏色的變化及結(jié)構(gòu)變脆情況表征纖維的耐熱性；參照《瀝青延度試驗(yàn)》（T0605—1993）的方法，采用瀝青延度儀進(jìn)行纖維瀝青膠漿延度測(cè)試；參照《瀝青混合料車轍試驗(yàn)》（T0719—1993）的方法，采用車轍試樣成型儀制備車轍試樣，以車轍試驗(yàn)儀進(jìn)行纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析討論

3.1 纖維加工工藝對(duì)加工效果的影響

3.1.1 秸桿浸泡程度及含水率對(duì)纖維加工效果的影響

秸桿中較高的含水率有利于秸桿的制備，但含水量過大，會(huì)使纖維在制備的過程中粘結(jié)在一起或粘在粉碎室的腔壁上，不易使其在粉碎室中多次被剪切劈分，這樣對(duì)加工工藝不利，加工效率低。但含水率較低時(shí)，棉秸稈則呈現(xiàn)較為干燥的狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)過程中易被高速剪切打碎成顆粒狀或粉末狀，纖維量很少。說明秸桿需要在吸水膨脹的韌性狀態(tài)下進(jìn)行高速劈分才有利于制備出纖維。根據(jù)本試驗(yàn)的實(shí)際情況，最佳秸桿含水率應(yīng)保持在60%～70%。

3.1.2 浸泡溫度的影響

浸泡溫度對(duì)纖維加工效果也有影響，室溫時(shí)，纖維得率可達(dá)80%，溫度為60℃時(shí)，纖維得率可達(dá)97%，溫度為90℃時(shí)，纖維得率可達(dá)99%（其中纖維得率是將制備產(chǎn)物中的木屑和粉末篩除后得到）。由此可得，浸泡溫度越高，纖維制備的得率越高，但溫度越高，制備能耗也越高，制備工藝也越復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選擇室溫浸泡并適當(dāng)延長(zhǎng)浸泡時(shí)間也可以達(dá)到較好的效果。

3.1.3 粉碎劈分時(shí)間的影響

對(duì)相同的濕秸稈在不同時(shí)間進(jìn)行粉碎，得到的纖維也有一定的差別。經(jīng)試驗(yàn)得出：6min制備的纖維較細(xì)，劈分效果較好，而2min制備的纖維較粗，劈分效果不佳，說明粉碎時(shí)間長(zhǎng)有利于纖維的劈分。

3.1.4 加工設(shè)備對(duì)纖維物理性能的影響

不同的設(shè)備制備的纖維有很大的差別。刀片式粉碎機(jī)制備的纖維（A）比較絨，纖維比較細(xì)，而錘式打散機(jī)制備的纖維（B）比較粗。

3.2 秸稈纖維的性能

3.2.1 棉秸稈纖維的耐熱性

將A型秸桿纖維在140～170℃時(shí)保溫5h，將B型纖維在160℃的烘箱保溫3～7h，觀察2種纖維的顏色變化，測(cè)量其質(zhì)量損失，并進(jìn)行碾壓篩析（0.9mm）以觀察碳化狀況，試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 A型秸桿纖維耐熱性試驗(yàn)結(jié)果

表2 B型秸桿纖維耐熱性試驗(yàn)結(jié)果

從表1和表2可知，隨著溫度的升高及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，其質(zhì)量損失率在13%～16%之間，沒有隨溫度的上升呈直線上升狀態(tài)，而是保持著較為平穩(wěn)的變化，說明纖維有一定的耐熱性。但隨著溫度的升高及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維的顏色變得越來越深，加熱后碾壓破碎率呈上升趨勢(shì)，說明加熱時(shí)秸桿纖維有碳化和變脆現(xiàn)象。由此可知，要有效發(fā)揮秸桿纖維的作用，在纖維應(yīng)用的過程中，溫度不可過高，加熱時(shí)間也不可過長(zhǎng)。

另外，比較表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，在相同的加熱條件下，A型秸桿纖維和B型秸桿纖維的熱失重率雖然相同，但后者加熱后的碾壓破碎率（8.1%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前者（19.5%），說明B型秸桿纖維的耐熱性明顯優(yōu)于A型秸桿纖維。

3.2.2 秸稈纖維的吸油性

取A、B、C 3種纖維各5g，將這3個(gè)樣本分別摻入200g基質(zhì)瀝青，攪拌均勻后倒入放置在燒杯的網(wǎng)籃中，倒入瀝青量（L1）約布滿網(wǎng)籃底面薄層，再將其置入（170±2℃）烘箱保溫1h，取出稱量其滴出瀝青的質(zhì)量（L2）；依據(jù)公式：w%=（L1-L2）/ L1×100%，計(jì)算3個(gè)樣本的平均值得出纖維的吸油率w。

試驗(yàn)結(jié)果表明，木質(zhì)素纖維的吸油率最大，這是因?yàn)槟举|(zhì)素纖維的比表面積大，其吸油性最高。2種秸桿纖維的吸油率相近，其吸油率雖低于木質(zhì)素纖維，但數(shù)值也較高，達(dá)到41%～42%，用于瀝青路面增強(qiáng)，具有可行性。

3.3 秸稈纖維瀝青膠漿的延度

隨著纖維加熱保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維瀝青膠漿的延度初始下降較快，隨后下降速度變緩。當(dāng)纖維加熱保溫時(shí)間從3h延長(zhǎng)到5h時(shí)，纖維瀝青膠漿的延度從42.5cm降低到37.1cm，減少了13.3%，而從5h延長(zhǎng)到7h，延度則從37.1cm降低到36.5cm，減少了1.6%，下降變緩，即延度基本趨于穩(wěn)定。說明加熱時(shí)間延長(zhǎng)到一定程度，對(duì)纖維的韌性及纖維瀝青膠漿的延度影響變小。合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了30.5%，且在用量較少的情況下還高出木質(zhì)素纖維的瀝青混合料；SMA-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了11%，在用量較少的情況下也高出木質(zhì)素纖維瀝青混合料。另外，觀察試驗(yàn)后的試樣車轍，發(fā)現(xiàn)添加秸稈纖維試樣的車轍深度明顯較小，說明秸桿纖維可以明顯提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，且優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

3.4 秸稈纖維瀝青混合料的高溫性能

制作每組3個(gè)的AC-13級(jí)配車轍試樣3組，分別是B型秸桿纖維摻量為0%的普通瀝青混合料、0.3%木質(zhì)素纖維瀝青混合料和B型秸稈纖維摻量為0.2%瀝青混合料。并制作每組3個(gè)的SMA-13級(jí)配車轍試樣2組，分別是0.3%木質(zhì)素纖維瀝青混合料和B型秸桿纖維摻量為0.3%瀝青混合料。采用車轍試驗(yàn)儀對(duì)試件進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試，以評(píng)價(jià)秸稈纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。從試驗(yàn)得出，摻加纖維后，AC-13瀝青混

4 結(jié)論

1）秸稈的浸泡程度及含水量對(duì)纖維的制備效果有重要影響。預(yù)先將秸桿碾壓處理，并適當(dāng)提高浸泡溫度，延長(zhǎng)浸泡時(shí)間，均有利于纖維的制備。制備纖維的秸桿最佳含水率以60%～70%之間為宜。

2）采用刀片式粉碎機(jī)和錘式粉碎機(jī)均可制備出長(zhǎng)徑比大于30的瀝青路面增強(qiáng)用秸桿纖維，其中后者纖維雖然較粗，但制備工藝簡(jiǎn)單，其纖維的耐熱性明顯優(yōu)于前者，且其瀝青膠漿的延度也較大，在瀝青膠漿中起到的增黏和增強(qiáng)作用更明顯。

3）秸桿纖維的高溫質(zhì)量損失率在13%～16%之間，吸油率為41%～42%。摻加秸桿纖維后，瀝青膠漿的延度明顯降低。但可明顯提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，且優(yōu)于木質(zhì)素纖維。摻加0.2%秸桿纖維后，AC-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了30.5%，SMA-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了11%，并且試樣的車轍深度明顯減小。

4）隨著溫度的升高及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維的顏色變深，加熱后碾壓破碎率上升，其纖維瀝青膠漿的延度降低。因此，纖維瀝青混合料拌和與施工中，應(yīng)適當(dāng)縮短加熱拌合及施工時(shí)間，以減少瀝青與纖維的熱氧老化及碳化。

【1】陳華鑫.纖維瀝青混凝土路面研究「D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2002.

Preparation and Properties of Cotton Straw Fibers Used in Asphalt Pavement Reinforcement

HU Jie-qiong1,ZHAO Guo-dong2,LIU Kai-ping3,LIU Jing-yi3
(1.Shanxi High-way Construction Incorporation,Xi'an 710065,China; 2.Upper Middle Yellow River Bureau,YRCC，X'an 710021,China; 3.School of Materials Science and Engineering of Chang'an University,Xi'an 710064,China;)

Straw is one of the potential biomass resources in China.Research on the high value of its use has great significance of sustainable development.In this paper,cotton straws were prepared by mechanical methods as straw fiber reinforced asphalt pavement,and its pavement performance was studied.The results showed that the soaking degree and water content of straw had a significant effect on the fiber preparation. Rolling straw in advance,and appropriate to improve the immersion temperature,soaking time,are conducive to fiber preparation.However,as the temperature increases and the holding time prolongs,the color of the straw fiber becomes dark and the crushing ratio increases after heating, and the ductility of the fiber asphalt mortar decreases.Therefore,the fiber asphalt mixture mixing and construction,should be appropriately shortened heating and mixing and construction time,in order to reduce the asphalt and fiber thermal oxidation and carbonization.

cotton straw fibers;fiber preparation;fiber asphalt mortar;fiber asphalt mixture;road performance

U414

A

1007-9467（2016）11-0079-03

2016-10-26

新疆兵團(tuán)科技支疆計(jì)劃項(xiàng)目（2014AB027）

胡潔瓊（1983～），女，陜西西安人，工程師，從事道路材料與工程技術(shù)研究。