秸稈纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用研究分析

李袁晟 樊繼文 李 晨 何 穎 朱雨坤

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

目前，各類路用纖維在實(shí)際工程中已有廣泛的應(yīng)用，常見的包括木質(zhì)素類纖維、鋼纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、聚酯纖維等。纖維對(duì)瀝青混合料在路用性能方面的提升，具有較高的研究?jī)r(jià)值，因此國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有較多此類研究。研究表明，路用纖維存在于瀝青膠漿中時(shí)，能較好的改善瀝青混合料性能，如耐久性、低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性等的能力?，F(xiàn)今，秸稈纖維的路用性能研究成為焦點(diǎn)，其現(xiàn)象存在兩點(diǎn)原因：第一，作物秸稈中間含有著大量的天然優(yōu)質(zhì)木質(zhì)素類纖維，此類纖維的基本屬性與木質(zhì)素纖維相近，若制備出的秸稈纖維應(yīng)用于瀝青路面的實(shí)際工程中，將會(huì)提高瀝青路面的使用性能；第二，我國(guó)農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量巨大，如玉米、棉花等，其作物成果生產(chǎn)加工的副產(chǎn)物秸稈往往會(huì)被焚燒或填埋處理，造成環(huán)境污染的同時(shí)導(dǎo)致自然資源無法充分被利用，研究其廢物利用具有較高的環(huán)境意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，進(jìn)而對(duì)加快創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境友好、資源節(jié)約的綠色社會(huì)具有一定程度上的貢獻(xiàn)。

1 試驗(yàn)纖維改良劑的性能比較與選用

1.1 試驗(yàn)纖維改良劑的性能比較

1.1.1 鋼纖維

在瀝青混合料中添加鋼纖維能提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，能夠提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)鋼纖維摻量較小時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨摻量的增加而提高。此外適量的鋼纖維摻量還能降低混合料的勁度模量，提高混合料的低溫抗裂性。但隨著鋼纖維摻量的增加，瀝青混合料中的自由瀝青不能完全覆蓋在纖維表層，不能充分包裹鋼纖維，使集料與鋼纖之間的黏結(jié)力有所下降，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度降低。

1.1.2 玄武巖纖維

通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在瀝青混合料中加入玄武巖纖維能提高混合料的路用性能。玄武巖纖維相對(duì)于其他纖維在瀝青路面的應(yīng)用中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，如力學(xué)性能較好、表面積較大、耐酸堿性和耐老化性。隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混合料的抗車轍性能也隨之增大，摻入適量的玄武巖纖維還能有效提高路基路面的使用性能及使用時(shí)間。經(jīng)試驗(yàn)研究表明，當(dāng)摻量小于0.3%時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定增加速度較快，之后隨著摻量的增加，動(dòng)穩(wěn)定增加速度較為緩慢，因此，一般試驗(yàn)使用的玄武巖摻量為0.3%。

1.1.3 玻璃纖維

在瀝青混合料中加入玻璃纖維能有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃纖維摻入量為0.2%時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度能提高51%左右，此時(shí)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能較好，但玻璃纖維對(duì)瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性能的提高效果不明顯。由此可見，玻璃纖維能提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性且不會(huì)破壞材料內(nèi)部的調(diào)溫性能。

1.1.4 秸稈纖維

瀝青混合料在工程應(yīng)用的過程中主要發(fā)生的是剪切破壞，主要原因是瀝青混合料內(nèi)部空隙較大且數(shù)量較多。秸稈纖維大小不一，表面積較大，其在瀝青混合料中均勻分散，相互摻雜在瀝青混合料中摻入秸稈纖維，能有效提高瀝青混合料的剪切能力。在瀝青混合料中，由于秸稈纖維的無規(guī)則分布，在裂縫處的纖維相互搭接起來會(huì)起到一定的約束作用，從而會(huì)在一定程度上阻止裂縫的產(chǎn)生。

1.2 試驗(yàn)纖維改良劑的選用

一方面，與秸稈纖維相比，在各種瀝青路面所用的纖維中，鋼纖維等纖維雖然具有較高的韌性、熱穩(wěn)定性和強(qiáng)度的性質(zhì)，但其較高昂的價(jià)格限制了其應(yīng)用；另一方面，玻璃纖維等纖維雖然強(qiáng)度較高、同時(shí)價(jià)格低廉，但是其易脆裂、非生物降解的特性又導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中無法被廣泛使用，而秸稈纖維的基本屬性與木質(zhì)素纖維相近，若制備出的秸稈纖維應(yīng)用于瀝青路面的實(shí)際工程中，能夠提高瀝青路面的使用性能，故選用秸稈纖維作為該研究對(duì)象。

2 試驗(yàn)纖維改良劑的制備儀器及方法

2.1 試驗(yàn)原料和制備儀器

2.1.1 原料及外加劑

秸稈、表面活性劑、清水等。

2.1.2 制備儀器

刀片式粉碎機(jī)、錘式粉碎機(jī)、烘箱、篩網(wǎng)等。

2.2 試驗(yàn)材料的制備方法與分析

2.2.1 秸稈原料的預(yù)處理

將用清水洗凈的秸稈原料置于添加了表面活性劑的清水中，分別在常溫、60℃、90℃的不同溫度狀態(tài)下浸泡處理2～4 天，達(dá)到秸稈外皮可輕易剝離的狀態(tài)為佳，將其取出，并自然晾干（或用烘箱進(jìn)行烘干處理）使其達(dá)到飽和面干狀態(tài)，再對(duì)其人工處理進(jìn)行切斷，最終剪切成 8mm 至10mm 的小段。

2.2.2 秸稈纖維的制備

1.細(xì)段狀秸稈原料的纖維制備方法

細(xì)段狀秸稈物料在經(jīng)過上述預(yù)處理之后可經(jīng)由濕法或干法進(jìn)行高速剪切分散，若運(yùn)用濕法制備舉例，即將面干狀態(tài)下的秸稈物料送入粉碎室，經(jīng)過立體式刀片粉碎機(jī)或錘式粉碎機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)刀片的剪切、撞擊、撕裂等作用，使纖維束分裂散開，所得到的物料經(jīng)過烘干后用篩網(wǎng)篩分出團(tuán)絮狀物，即為秸稈纖維，再經(jīng)過干燥處理得到成品。

2.長(zhǎng)段狀秸稈原料的纖維制備方法

長(zhǎng)段狀秸稈的制備方法與前者類似，在經(jīng)過機(jī)械破碎和預(yù)處理操作之后，可選擇濕法或干法制備，將長(zhǎng)段狀秸稈料投入粉碎室，經(jīng)過立體式刀片粉碎機(jī)或錘式粉碎機(jī)的作用下得到分散的團(tuán)絮狀纖維，再經(jīng)過干燥處理得到成品。

2.3 制備加工方法總結(jié)

2.3.1 秸稈纖維制備加工方法的比較與選用

在多次設(shè)備探究試驗(yàn)過程中得到最佳的制備秸稈纖維的方法為物理-機(jī)械法（P-M 法），即根據(jù)秸稈的自身物理特性，對(duì)其進(jìn)行充分浸泡，并將其自然晾干直至表面干燥（即表明其含水率可以加以控制），然后將其放入上述刀片式粉碎機(jī)或錘式打印機(jī)進(jìn)行多次粉碎。在粉碎取纖維的過程中間，表皮纖維和木質(zhì)部分都受到刀片的剪切、沖擊，并在高速旋轉(zhuǎn)切割下被打散成為團(tuán)絮狀纖維[1]。另外，使用預(yù)先經(jīng)過剪碎至毫米級(jí)長(zhǎng)度的段狀秸桿料加工纖維，與直接使用長(zhǎng)段狀秸稈原料進(jìn)行制備之間的優(yōu)劣，尚存有探索的空間。

2.3.2 秸稈纖維制備方法的評(píng)價(jià)

秸稈來自于植株的莖稈，其有著類似于木材的特性，如其木質(zhì)部分緊密，表皮部分堅(jiān)固，使其內(nèi)部所含有的纖維束分散需要施加很大的外力[2]，因此，應(yīng)當(dāng)通過浸泡從而使得秸稈的纖維束自然吸收水分，在其結(jié)構(gòu)間內(nèi)應(yīng)力增大時(shí)，再進(jìn)行機(jī)械外力切割作用較佳[3]。

由于在粉碎機(jī)粉碎過程中，纖維表面的果膠并未在機(jī)械外力作用下完全脫去，將通過上述方法所制備的秸稈纖維自然晾曬至干燥或烘箱烘干后，纖維常常呈現(xiàn)出難以分散、纏結(jié)、打結(jié)等的狀態(tài)。因此，在摻入瀝青混合料之前需要對(duì)所制備得的秸稈纖維進(jìn)行分散預(yù)處理；同時(shí)，在摻入瀝青混合料后，對(duì)秸稈纖維進(jìn)行表面改性處理，有助于促進(jìn)纖維與瀝青的結(jié)合界面性能的提高，且有利于纖維對(duì)瀝青粘附性能的提高[4]。

3 研究結(jié)果及分析

3.1 秸稈纖維瀝青膠漿的針入度

針入度是評(píng)價(jià)瀝青膠漿的粘性和穩(wěn)定性的性質(zhì)。針入度越小，其抵抗剪切形變能力較強(qiáng)。

3.1.1 溫度對(duì)針入度的影響

在相同溫度條件下，隨著摻加的纖維量增加，瀝青膠漿的針入度降低，同時(shí)纖維瀝青膠漿的針入度減小。這是由于摻加的纖維吸附瀝青，從而增加了瀝青的粘稠度，同時(shí)改變?yōu)r青的組分，在瀝青膠漿中形成聯(lián)結(jié)，阻止瀝青塑性流動(dòng)。

在溫度升高的過程中，纖維瀝青膠漿的針入度始終低于基質(zhì)瀝青膠漿的針入度，表明纖維在降低瀝青膠漿的針入度方面具有較強(qiáng)能力。與此同時(shí)，隨溫度升高，纖維瀝青膠漿的針入度與基質(zhì)瀝青膠漿的針入度的比值差距變大。這體現(xiàn)纖維提高瀝青膠漿的穩(wěn)定性和韌性的能力，能夠在高溫區(qū)更好地體現(xiàn)，這正是瀝青路面之所需。

此外，在任何溫度條件下，纖維摻量相同的秸稈纖維膠漿針入度均小于相同摻量的木質(zhì)素纖維膠漿，而前者的抗剪強(qiáng)度比后者的抗剪強(qiáng)度較強(qiáng)，這是由于秸稈纖維的韌性比木質(zhì)素纖維更優(yōu)且前者纖維長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，秸稈纖維在瀝青中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得瀝青的粘度、穩(wěn)定度提高的能力高于木質(zhì)素纖維在相同狀況下的能力[5]?？偠灾?，秸稈纖維膠漿的針入度小，且其抗剪切形變的能力強(qiáng)。

3.1.2 纖維摻量對(duì)針入度的影響

相同溫度條件下?lián)郊永w維，可使瀝青膠漿的針入度降低，且纖維瀝青膠漿的針入度隨著纖維摻量增加而減小。此外，秸稈纖維瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而提高，相同類型纖維摻量增加，抗剪強(qiáng)度提升的變化趨小。當(dāng)摻量達(dá)到一定比例后，纖維在瀝青膠漿中的分布趨于均勻，能夠起到良好的鏈接、增韌的作用，使瀝青膠漿的針入度減小，抗剪強(qiáng)度提高。然而隨著纖維含量的進(jìn)一步增大，瀝青膠漿的粘度增大，纖維分散較為困難，會(huì)出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象，削弱了纖維提高穩(wěn)定性和韌性的能力，對(duì)改善瀝青膠漿的高溫性能的效果有限[6]。

3.2 秸稈纖維瀝青膠漿的延度

延度可用來評(píng)價(jià)瀝青膠漿的抗張拉性、抗裂性和低溫開裂性等性質(zhì)。

將纖維以一定的比例摻入基質(zhì)瀝青，對(duì)經(jīng)過彈性恢復(fù)試模的成型試件進(jìn)行勻速拉伸，并與純?yōu)r青注模做對(duì)照。發(fā)現(xiàn)摻加秸桿纖維后，瀝青膠漿的延度顯著降低，得出棉秸桿纖維在瀝青膠漿中有增大粘度能力的結(jié)論。試驗(yàn)表明，對(duì)纖維預(yù)先進(jìn)行加熱保溫對(duì)延度具有一定的影響，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[7]。此外，長(zhǎng)徑比>30:1 的瀝青路面用增強(qiáng)棉秸桿纖維，在瀝青膠漿中對(duì)耐熱性的能力提高較顯著，且其所摻加瀝青膠漿的延度較大，于瀝青膠漿中起到的增加黏度和增加強(qiáng)度的能力更強(qiáng)。

3.3 秸稈纖維瀝青膠漿的軟化點(diǎn)

軟化點(diǎn)可用來評(píng)價(jià)瀝青高溫穩(wěn)定性的性質(zhì)，瀝青膠漿的軟化點(diǎn)越高表明其混合料的高溫穩(wěn)定性越好。

當(dāng)瀝青中摻加秸稈纖維僅其摻加比例改變時(shí)，通過對(duì)其軟化點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)可得到，纖維瀝青膠漿的軟化點(diǎn)隨著纖維產(chǎn)量的增加而先增大后減小。當(dāng)僅單一摻加秸稈纖維的瀝青膠漿的軟化點(diǎn)約為69.9℃，其值高于僅單一摻加木質(zhì)素纖維的瀝青膠漿的軟化點(diǎn)約為69.1℃時(shí)，表明秸稈纖維改善瀝青膠漿高溫性能的能力強(qiáng)于木質(zhì)素纖維[8]。

3.4 秸稈纖維在瀝青膠漿中的吸油性

采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)籃法對(duì)纖維的吸油性進(jìn)行研究試驗(yàn)，纖維與瀝青混合料在高溫條件下拌合，在瀝青膠漿中纖維會(huì)吸附有一層瀝青膜，從而使得瀝青中間膠質(zhì)的比例相對(duì)提升較高，同時(shí)無序分布的吸附性纖維形成網(wǎng)狀立體狀結(jié)構(gòu)，從而提高瀝青混合料的耐久性能。研究表明秸稈纖維與木質(zhì)素纖維的比表面積接近，因此兩者在瀝青膠漿中的吸油性方面能力相對(duì)接近。從吸附角度分析，不同纖維對(duì)瀝青的吸附能力受纖維長(zhǎng)徑比、瀝青表面張力、環(huán)境溫度等因素的影響，而秸桿纖維長(zhǎng)度和直徑分布更為均勻，因此長(zhǎng)徑比分布較為穩(wěn)定，對(duì)瀝青的吸附作用起到增益作用。

4 結(jié)論

（1）從社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)，以及秸稈纖維本身在瀝青膠漿工程實(shí)際中的應(yīng)用性能等方面，對(duì)多種類型纖維對(duì)比分析，可以得到秸稈纖維在瀝青膠漿中展現(xiàn)的能力將是路用纖維的優(yōu)選。

（2）對(duì)秸稈纖維瀝青膠漿的三大主要指標(biāo)性能（針入度、延度、軟化點(diǎn)）和秸稈纖維在瀝青膠漿中的吸油性方面分析，秸稈纖維對(duì)瀝青膠漿的性能提升能力顯著、表現(xiàn)優(yōu)異，均高于或接近于與其特性相近的木質(zhì)素纖維，對(duì)現(xiàn)有工程應(yīng)用中的纖維有著良好的可替代性。