棉秸稈纖維瀝青混合料性能研究

廖 歡（石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003）

棉秸稈纖維瀝青混合料性能研究

廖 歡（石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003）

以棉秸稈纖維作為瀝青混合料的增強材料，研究棉秸稈纖維制備過程中的關鍵因素對其增強性能的影響。通過控制棉秸稈纖維制備時的浸泡程度、喂料前的含水量和粉碎室內的打散時間三個關鍵工藝參數，根據棉秸稈纖維的吸油性、耐熱性、吸濕性、棉秸稈纖維摻入瀝青膠漿的延伸度等評價，確定最佳的制備工藝流程。

棉秸稈纖維；制備工藝；路用性能

新疆是我國的棉花主產區，棉稈的產量十分豐富，但棉花秸稈的利用率很低。目前，棉稈的處理方式大多以粉碎后回埋還田為主，只有少量被用作制備生物燃料[1]、吸附劑、纖維素[2]及保溫材料等。棉稈含有豐富的纖維，是自然界中天然的高分子材料。棉稈纖維的形態特點是長徑比大、比強度高、比表面積大、密度低及可生物降解等，其強度在大部分情況下可滿足增強材料的要求。本項目是通過對棉稈纖維進行預處理，研究棉稈纖維對吸油性、耐熱性、吸濕性、棉秸稈纖維摻入瀝青膠漿的延伸度的影響，以期制備性能良好的路用瀝青混合料的增強材料。

1 制備工藝路線比選

根據棉秸稈自身的物理特性，將其進行充分浸泡，自然晾干至表面干燥（即可以控制其含水率），再放入刀片式粉碎機進行多次粉碎，形成纖維狀。本文制定了兩條工藝路線：一是將棉秸稈粉碎成不大于1cm的顆粒狀的物料進行研究。二是使用全棉秸稈進行試驗研究。

1.1 預處理工藝

棉花植株莖稈有著類似于木材的特性，木質部緊密，韌皮部堅固，直接將棉稈纖維束分散和松解開需要很大的外力，對機械設備要求較高。結合棉稈自身的特性，將其置于水中浸泡，讓棉秸稈纖維束充分吸收水分，增加其內部應力，再使用機械外力效果較好。因此，將兩種形式的棉秸稈清洗后，放入清水中浸泡，并添加陰離子表面活性劑去除秸稈內的果膠。浸泡2-4天，待棉秸稈皮部可手動剝離為佳，將其取出瀝水至飽和面干狀態。

1.2 高速剪切分散

顆粒狀物料在預處理之后采用濕法進行高速剪切分散，經高速運轉的刀片進行剪切、撞擊、撕裂等作用，使得纖維束分散，篩分出類似于絨毛狀的纖維。全棉秸稈同樣，在機械破碎、預處理工藝之后，采用濕法進行高速剪切分散，得到分散的絨狀纖維。通過不斷地探究和嘗試，采用立體式刀片打散機的較好打散時間約為 3x2 min；制備棉秸稈纖維最符合纖維狀態的最佳含水率在65.1%-70.3%。

1.3 烘干后處理

自然風干或烘干后，纖維表面的果膠并未在預處理和機械外力作用下完全脫去，纖維常常呈現出打結、纏結、不分散等狀態。因此，在摻入瀝青混合料之前需要對棉秸稈纖維進行分散及表面改性處理，這樣有助于改善纖維在摻入瀝青混合料后，纖維與瀝青的結合界面性能得以提高，有利于提高其對瀝青的粘附性。

1.4 最佳工藝流程

棉秸稈纖維最佳制備工藝流程及參數：全棉秸稈——預處理（碾壓+剪切碎段，清水、常溫充分浸泡3-4d）——干燥至表干狀態（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3x2min）——干燥——纖維。

2 棉秸稈纖維路用性能評價

2.1 棉秸稈纖維的吸油性評價

吸油性試驗測試（參照規范網籃法，將煤油替換為AS90#基質瀝青，以下簡稱基質瀝青）。將定量的二組纖維5g摻入200g基質瀝青，攪拌均勻后倒入放置在燒杯中的網籃，倒入瀝青（需稱量L1）約布滿網籃底面薄層，再將其置入烘箱(170±2)℃保溫1h，取出稱量其滴出瀝青的質量L2；則依據算式w%=（L1-L2）/L1x100%，計算得出吸油率w%，實驗結果見表1。

表1 纖維吸油性實驗

吸油性是路用纖維最重要的技術性能之一，吸油性好壞直接決定了棉秸稈纖維對瀝青起到增粘、增韌作用的效果。以上對本文中所制備的路用棉秸稈纖維吸油率作了測試，將其和木質素纖維在同樣的條件下對照進行試驗，顯然木質素纖維的表面積最大，平均吸油性率為58.2%；棉秸稈纖維的平均吸油率為42%。與木質素纖維的吸油性對比，棉花秸稈的吸油性略低，如果對加工工藝再作調整，其吸油性會有所提升。從吸附的角度來講，纖維對瀝青的吸附是受到溫度、瀝青表面的張力、纖維長徑比的分布等多重因素的變化而變化，棉秸稈纖維長度分布較為均勻，且粗細均勻，長徑比分布穩定，這些因素對瀝青的吸附作用也會起到有利影響。

2.2 棉秸稈纖維的耐熱性評價

耐熱性作為路用纖維材料的重要性能之一。通常熱拌瀝青混合料在高達190℃高溫下，甚至需要長距離運輸、保溫，所以，施工要求所摻入纖維材料有較好的耐熱性，在高溫下不發生物理化學性能的改變。木質素作為與棉秸稈纖維相近的天然植物纖維，其添加在瀝青混合料中所需要其耐熱能力達230℃（短時間可達 280℃）。對于棉秸稈纖維的耐熱性分析，在高溫恒溫過程中，檢測棉秸稈纖維在不同溫度下的質量損失、顏色變化、纖維的脆性，定性或者定量評價其在高溫情況下的耐熱性[3]。

實驗是在四種不同的溫度下進行，每組取棉秸稈纖維10 g，各三組，首先放置在 50℃烘箱內烘干保溫1h，再分別將其放入的不同溫度（140℃、150℃、160℃、170℃）的烘箱保溫5 h，取出稱量其各項質量變化情況，計算質量損失率 W1%，觀察纖維顏色變化。用木棒進行兩次碾壓，觀察其纖維的破碎狀況，進行篩分（篩網為 0.9mm，先將粉末狀物質篩去，再經過碾壓得到＜0.9mm的視為因保溫而破碎的量）以觀察纖維在不同溫度下變脆的狀況。實驗結果如表2。

表2 不同溫度下棉秸稈纖維耐熱性實驗

棉秸稈纖維在不同溫度（140℃、150℃、160℃、170℃）下經過5小時的保溫，對其定性分析顏色變化，隨著溫度升高，纖維的顏色變得越來越深，即纖維本身發生著變化，然而對不同溫度下的纖維進行微觀形貌分析時，發現表面形貌基本變化不大，沒有特別典型的因溫度高而產生的變化；對其定量的分析，計算其平均值，隨著溫度，其質量損失率在14%-16%之間，質量損失的變化沒有直線的上升，而是保持在較為平穩的變化狀態。綜上所述：棉秸稈纖維在不同溫度下可以保持較好的狀態，受溫度的影響較少。

2.3 棉秸稈纖維摻入瀝青膠漿的延度試驗

瀝青膠漿的延度可以間接地反映纖維在摻入瀝青混合料后其抗張拉性能，與實際路面抗裂性有一定的相關性，尤其與路面的低溫開裂性能有很大關聯[4]。

實驗1將兩種纖維加入到基質瀝青中，攪拌均勻注入彈性模具，置于瀝青延度測試儀中保持15℃靜置1h，在7N作用力下拉伸延度測試并進行讀數觀察。

從對照試驗可以發現，摻入棉秸稈纖維的瀝青較摻入木質素纖維瀝青其延度提升10%，即在實際路面的使用狀況下，其低溫狀況下棉秸稈纖維瀝青更不易發生開裂。這表明棉秸稈纖維在瀝青膠漿中所起到增粘的作用更加明顯。

實驗2將碳化后的棉秸稈纖維（在160℃下保溫3h、5h、7h）加入到瀝青中，攪拌均勻注入彈性模具，置于瀝青延度測試儀中保持15℃靜置1h，在7N作用力下拉伸延度測試并進行讀數觀察。

表3 棉秸稈纖維瀝青延度測試

表4 棉秸稈纖維瀝青延度測試（160℃）

由表4中數據可知，從3h到5h，瀝青膠漿延度減少了13.3%，而從5h到7h，瀝青膠漿延度減少了1.6%，隨著保溫時間的延長，棉秸稈纖維瀝青膠漿延度在逐漸減少，但從5h到7h，延度值下降較緩慢，基本趨于穩定。其原因在于：長時間高溫作用下，棉秸稈逐漸老化變脆，柔韌性變差，纖維拉伸斷裂強度下降，導致纖維膠漿韌性與延性變差。因此，纖維瀝青混合料拌和生產后，應盡快攤鋪、碾壓，避免瀝青與纖維的熱氧老化。

3 結 語

1）在制備工藝方面木質素纖維相較棉秸稈纖維制作簡單，但從環保和利廢的角度考慮，棉秸稈纖維的制備將有很大的發展空間。

2）棉秸稈纖維和木質素纖維的動穩定度各有優勢，實驗結果表明木質素纖維對瀝青的吸附作用優于棉秸稈纖維；但在穩定、增粘效果上棉秸稈纖維優于木質素纖維。雖然棉秸稈纖維的吸油性略低，但通過對加工工藝調整和纖維表面的處理，其吸油性會有所提升。

[1] Zheng Jilu，Yi Weiming，Wang Nana．Biooil production from cotton stalk[J]．Energy Conversion and Management，2008，49：1724-1730．

[2]沈金安．瀝青及瀝青混合料路用性能[M]．北京:人民交通出版社,2001．

[3]彭波,李文瑛,戴經梁．纖維在瀝青混合料中應用的研究[J]．中南公路工程,2003,28(2):44-46．

[4]宋云祥,等．玄武巖纖維瀝青膠漿的路用性能[J]．公路交通科技:2012．8,29:15-19

Study on performance of cotton straw fiber asphalt mixture

The effect of the key factors in the process of preparing cotton stalk fiber on the reinforcing properties of cotton stalk fiber was studied．According to the oil absorption,heat resistance,hygroscopicity and the incorporation of cotton straw fiber into the cotton straw fiber by controlling the degree of soaking in the preparation of cotton fiber,the moisture content before feeding and the breaking time in the crushing chamber,Asphalt mortar elongation and other evaluation,to determine the best preparation process．

cotton stalk fiber；preparation technology；pavement performance

U416文獻辨識碼：B

1003-8965(2017)01-0027-03

項 目：石河子大學應用基礎研究青年項目（2014ZRKXYQ-LH08）；