生物質(zhì)纖維瀝青混合料的研究進(jìn)展

熊余康 李強(qiáng) 陳碩秋

摘 要：瀝青混合料在瀝青道路質(zhì)量中起著重要的作用，因此瀝青混合料的路用性能是值得道路研究人員考慮的重要因素。纖維的加入能使得瀝青混合料的性能產(chǎn)生巨大的改善，尤其近幾年來對(duì)于生物質(zhì)纖維的研究變得更加的頻繁，如秸稈纖維、竹纖維以及蔗渣纖維對(duì)于瀝青混合料性能改善的研究漸漸地進(jìn)入了人們的視野。為此，本文主要就生物質(zhì)纖維在瀝青混合料中的運(yùn)用的進(jìn)展進(jìn)行相應(yīng)的研究，重點(diǎn)包含秸稈纖維瀝青混合料研究進(jìn)展、竹纖維瀝青混合料研究進(jìn)展以及蔗渣纖維瀝青混合料研究進(jìn)展等。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)纖維; 瀝青混合料; 瀝青路面

中圖分類號(hào)：U414? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2021）10-219-002

1.引言

近幾十年來，瀝青路面在中國(guó)道路的發(fā)展過程中占據(jù)著主要的地位，瀝青混合料的路用性得到了大眾的廣泛關(guān)注。為了改善瀝青混合料的性能，人們通常會(huì)在瀝青混合料中加入各種纖維，之前人們通常會(huì)加入玄武巖纖維、玻璃纖維等。但是隨著人們對(duì)于農(nóng)林廢棄物再利用意識(shí)的提高，秸稈纖維、蔗渣纖維以及竹纖維得到了發(fā)展，這些由農(nóng)、林業(yè)固廢制作而成的生物制纖維在瀝青混合料的性能改善方面起著重大的作用。

2.秸稈纖維瀝青混合料

2.1秸稈纖維

秸稈指的是成熟農(nóng)作物莖葉部分的總稱。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，每年的的秸稈產(chǎn)量達(dá)到九億多噸，但是根據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)秸稈的利用率達(dá)不到四成。因此秸稈作為主要的農(nóng)業(yè)廢棄物，對(duì)我國(guó)的生態(tài)環(huán)境造成了很大的不良影響，所以就有道路工程的研究人員將秸稈做成纖維加入到瀝青混合料中，改善瀝青混合料性能的同時(shí)增加了秸稈的利用率。目前用于道路秸稈纖維使用的主要是玉米秸稈纖維以及棉秸稈纖維，纖維制作時(shí)的工藝和流程不同對(duì)于纖維的使用效果產(chǎn)生巨大影響，但是對(duì)于秸稈纖維的制作工藝和流程目前還未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前學(xué)者普遍的認(rèn)為玉米秸稈纖維室內(nèi)制作流程大致為：秸稈的取芯取皮→浸泡→破碎→烘干→篩分。華北水利水電大學(xué)李振霞通過試驗(yàn)證明玉米秸稈纖維最佳制備工藝為長(zhǎng)度10士2mm秸稈皮浸泡4h后，在29000r·min-1轉(zhuǎn)速下破碎2min[1];道路研究人員認(rèn)為棉秸稈纖維室內(nèi)制作的流程大致為：預(yù)處理、破碎、浸泡處理、高速剪切分散、烘干、篩析。石河子大學(xué)廖歡通過研究試驗(yàn)證明棉秸稈纖維最佳制備工藝流程為：全棉秸稈——預(yù)處理（碾壓+剪切碎段，清水、常溫充分浸泡3-4d）——干燥至表干狀態(tài)（含水量65.1%-70.3%）——碎段8-10mm——喂料高速剪切打散（立體式刀片打散機(jī)3x2min）——干燥——纖維[2]。

2.2秸稈纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等其他路用性能與瀝青道路的使用壽命都有著密不可分的聯(lián)系，因此研究秸稈纖維對(duì)于瀝青混合料性能的影響就顯得尤為重要。研究人員通過車轍試驗(yàn)對(duì)比無秸稈纖維瀝青混合料和摻秸稈纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性差異，發(fā)現(xiàn)摻秸稈纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定次數(shù)明顯高于未摻秸稈纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定次數(shù)，摻秸稈纖維的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性明顯更優(yōu)，原因主要是秸稈纖維能夠吸附“自由瀝青”從而增加“結(jié)構(gòu)瀝青”的數(shù)量，并且秸稈纖維的加入使得瀝青膠漿中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有傳遞荷載的作用，因此增加高溫穩(wěn)定性;研究人員通過凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)來對(duì)比無秸稈纖維瀝青混合料和摻秸稈纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性的差異，結(jié)果表明摻秸稈纖維的瀝青混合料的水穩(wěn)定性明顯要優(yōu)于未摻秸稈纖維的瀝青混合料的水穩(wěn)定性，原因主要是增加秸稈纖維會(huì)使得瀝青膠漿的稠度，使得骨料之間結(jié)合的更加緊密，從而降低了空隙率，增加了瀝青混合料對(duì)水分侵入的抵抗性;研究人員通過小梁彎曲試驗(yàn)來評(píng)價(jià)摻秸稈纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能，結(jié)果表明秸稈纖維的加入使得瀝青混合料的低溫抗裂性有所提升，原因主要是瀝青與秸稈纖維之間有較好的結(jié)合力，從而提高了瀝青混合料的整體性，增強(qiáng)了低溫抗裂性能。

3.竹纖維瀝青混合料

3.1竹纖維

道路用竹纖維是指竹子經(jīng)過一系列特殊的加工的纖維，具有造價(jià)低、力學(xué)性能好、環(huán)境污染較低的特點(diǎn)，并且竹纖維的加入使得瀝青混合料的性能得到改善，因此近年來竹纖維逐漸進(jìn)入人們的視野。竹纖維的制作方法可以分為物理方法和化學(xué)方法兩種方法，物理方法由于其操作簡(jiǎn)單，環(huán)境污染較小，且生產(chǎn)效率較高，已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用。目前竹纖維的制作流程大致為：清水常溫浸泡24小時(shí)——粉碎機(jī)進(jìn)行破碎——搓碾成絮狀——過篩（10mm）——自然風(fēng)干20小時(shí)——得到竹纖維[3]。當(dāng)然也可通過化學(xué)手段對(duì)竹纖維進(jìn)行改性，得到性能更優(yōu)的竹纖維，用以提高瀝青混合料的性能。福建林業(yè)大學(xué)賈暗明采用三聚氰胺-甲醛共聚物噴射在竹纖維上，再在103℃烘箱中烘干20小時(shí)以上，從而得到改性后的竹纖維[4]，改性后的竹纖維在力學(xué)性能上得到一定改善。

3.2竹纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

竹纖維加入瀝青混合料中，使得瀝青混合料的路用性能得到改變，目前諸多研究人員對(duì)此改變進(jìn)行了大量的研究。研究人員通過小梁直接拉伸試驗(yàn)和靜態(tài)間接拉伸試驗(yàn)對(duì)摻入竹纖維的瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入竹纖維的瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度要明顯高于未摻竹纖維的瀝青混合料。分析其主要原因是：竹纖維的吸油性能較好，可以吸附更多的瀝青，并且竹纖維的加入存在一種榫卯作用，加強(qiáng)了瀝青與骨料之間的連接作用;研究人員通過車轍試驗(yàn)對(duì)摻竹纖維的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入竹纖維的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度略高于未摻竹纖維的瀝青混合料，這說明竹纖維的加入一定程度的提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。但是竹纖維的加入使得最佳油石比增加，一定程度上提高了瀝青混合料的成本，并且隨著瀝青用量的摻入竹纖維對(duì)于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性改善效果明顯降低。經(jīng)過分析，竹纖維的加入能提高瀝青混合料的高溫性能原因是：竹纖維能吸附自由的瀝青，并且在瀝青膠漿中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有一定的連接固定作用;研究人員通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)竹纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明摻竹纖維的瀝青混合料低溫抗裂性能明顯的優(yōu)于未摻竹纖維的混合料。分析其主要原因是：竹纖維的加入能增強(qiáng)瀝青的黏結(jié)力，增強(qiáng)了骨料與瀝青結(jié)合界面的強(qiáng)度，并且低溫下瀝青自身的勁度增大，最終使得混合料表現(xiàn)出更好的低溫性能;研究人員通過浸水馬歇爾試驗(yàn)所測(cè)的馬歇爾浸水殘留穩(wěn)定度來評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明：摻竹纖維的瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度要略微的高于未摻竹纖維的瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度，即摻入竹纖維只能在較小的程度上提高混合料的水穩(wěn)定性。分析其原因主要是：在浸水的條件下，竹纖維的加入所起到的粘結(jié)加筋作用對(duì)瀝青混合料抵抗水損害有一定的效果。

4.蔗渣纖維瀝青混合料

4.1蔗渣纖維

蔗渣纖維是指工業(yè)的蔗渣經(jīng)過一系列的加工而得到的纖維。甘蔗作為我國(guó)的產(chǎn)糖的主要作物，被廣泛的應(yīng)用于制糖業(yè)，并且蔗渣的產(chǎn)量為食糖的三到四倍，數(shù)量龐大，若處理不當(dāng)必將會(huì)給環(huán)境帶來不利的影響，成為另外一種工業(yè)垃圾。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，蔗渣中含有豐富的生物質(zhì)能，并且木質(zhì)化程度較高，可以通過化學(xué)或者物理加工手段將其制作成路用纖維[5]。

4.2蔗渣纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

目前就蔗渣纖維對(duì)瀝青混合料的路用性能的影響，研究人員做了一定程度上的研究。研究人員通過析漏試驗(yàn)測(cè)定蔗渣纖維的加人對(duì)瀝青混合料路用性能的改善，并且與絮狀木質(zhì)素纖維進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明相同的油石比的條件下，摻絮狀木質(zhì)素纖維的瀝青混合料的析漏損失率要比摻蔗渣纖維的瀝青混合料的析漏率要大，這說明蔗渣纖維的吸附瀝青的能力相對(duì)于絮狀木質(zhì)素要優(yōu)越，對(duì)瀝青混合料的路用性能有一定改善效果。另外就摻蔗渣纖維的瀝青混合料，研究人員通過車轍試驗(yàn)對(duì)其高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，浸水馬歇爾試驗(yàn)對(duì)其水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，低溫彎曲應(yīng)變?cè)囼?yàn)對(duì)其低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且以摻絮狀木質(zhì)素纖維的瀝青混合料作為對(duì)比組。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻蔗渣纖維瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能都符合規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，并且與摻絮狀木質(zhì)素纖維的瀝青混合料的路用性能基本保持在相似水平，證明了蔗渣纖維的摻入確實(shí)提高了混合料的路用性能。但是目前關(guān)于蔗渣纖維瀝青混合料的其他方面性能的影響還有待更深入的研究。

5.生物質(zhì)纖維的技術(shù)指標(biāo)及問題

上述的三種生物質(zhì)纖維并沒有統(tǒng)一的制作工藝及流程。在生物質(zhì)纖維的制作過程中由于使用的原材料、加工工藝、加工順序以及酸堿改性劑的添加不同，都會(huì)導(dǎo)致所生產(chǎn)出的生物質(zhì)纖維的使用效果不同，加入瀝青混合料中對(duì)混合料路用性能的改性效果不同。又因?yàn)閷?duì)于生物質(zhì)纖維還沒出臺(tái)統(tǒng)一的技術(shù)指標(biāo)，因此在此參考道路工程中使用較為普遍的木質(zhì)素纖維的技術(shù)指標(biāo)。生物質(zhì)纖維的長(zhǎng)度小于6mm;沖氣篩分析：0.150mm篩通過率為60%-80%;普通網(wǎng)篩分析：0.850mm篩通過率為75%-95%，0.425mm篩通過率55%-75%，0.106mm篩通過率20%-40%;灰份含量為13%-23%，并且無揮發(fā)物;PH值為6.5-8.5;吸油率不小于纖維自身質(zhì)量的5倍;含水率小于5%;耐熱性要求是，210℃下加熱兩小時(shí)后，顏色、體積基本無變化，熱失重不大于6%[6]。

另外目前如何評(píng)價(jià)生物質(zhì)纖維在瀝青膠漿中的分散性以及相容性的問題是重點(diǎn)考慮和研究的方向。若生物質(zhì)纖維在膠漿中打結(jié)、成團(tuán)，降低了瀝青與骨料之間的粘結(jié)性能，不僅起不到對(duì)瀝青混合料路用性能的改性作用，而且會(huì)降低瀝青混合料的路用性能。

6.結(jié)語

道路用生物質(zhì)纖維的使用，不僅給了農(nóng)業(yè)、林業(yè)所生產(chǎn)的廢棄物再度利用的機(jī)會(huì)，節(jié)約資源，改善環(huán)境，并且給道路工程帶來不小的裨益。生物質(zhì)纖維對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性等路用性能都或多或少的帶來了改善，但是值得注意的是生物質(zhì)纖維由于其自身吸油率較高的特點(diǎn)，在工程使用中會(huì)增加瀝青的用量，提高一定的造價(jià)成本。因此，不同的生物質(zhì)纖維的使用還需結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮。

參考文獻(xiàn)：

[1]李振霞，陳淵召，周建彬，孫爽.玉米秸稈纖維瀝青混合料路用性能及機(jī)理分析[J]中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2019，32（02）：47-58

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[3]聶思宇，李佩，昊慶定，劉克非.路用木質(zhì)素纖維與竹纖維環(huán)境與經(jīng)濟(jì)成本對(duì)比研究[J]湖南交通科技，2019，45（04）：7-12+29

[4]賈暗明.竹纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的制備與性能[D]福建：福建林業(yè)大學(xué)，2018

[5]陳開群，辮煒安，李祖仲.蔗渣纖維瀝青膠結(jié)料黏度特性及其混合料路用性能研究[J]中外公路，2020，40（03）：278-283

[6]中華人民共和國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T533-2004[S]2004：23-28