秸稈纖維在瀝青混合料中的應用研究分析

李袁晟 樊繼文 李 晨 何 穎 朱雨坤

（南京工程學院，江蘇 南京 210009）

目前，各類路用纖維在實際工程中已有廣泛的應用，常見的包括木質素類纖維、鋼纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、聚酯纖維等。纖維對瀝青混合料在路用性能方面的提升，具有較高的研究價值，因此國內外現有較多此類研究。研究表明，路用纖維存在于瀝青膠漿中時，能較好的改善瀝青混合料性能，如耐久性、低溫抗裂性、高溫穩定性等的能力。現今，秸稈纖維的路用性能研究成為焦點，其現象存在兩點原因：第一，作物秸稈中間含有著大量的天然優質木質素類纖維，此類纖維的基本屬性與木質素纖維相近，若制備出的秸稈纖維應用于瀝青路面的實際工程中，將會提高瀝青路面的使用性能；第二，我國農業作物產量巨大，如玉米、棉花等，其作物成果生產加工的副產物秸稈往往會被焚燒或填埋處理，造成環境污染的同時導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境意義和經濟價值，進而對加快創建可持續發展、環境友好、資源節約的綠色社會具有一定程度上的貢獻。

1 試驗纖維改良劑的性能比較與選用

1.1 試驗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穩定度，能夠提高瀝青混合料的高溫穩定性。當鋼纖維摻量較小時，瀝青混合料的動穩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力有所下降，瀝青混合料的動穩定度降低。

1.1.2 玄武巖纖維

通過試驗研究發現，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。玄武巖纖維相對于其他纖維在瀝青路面的應用中表現出顯著優勢，如力學性能較好、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間。經試驗研究表明，當摻量小于0.3%時，瀝青混合料的動穩定增加速度較快，之后隨著摻量的增加，動穩定增加速度較為緩慢，因此，一般試驗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定性。經試驗研究發現，當玻璃纖維摻入量為0.2%時，瀝青混合料的動穩定度能提高51%左右，此時瀝青混合料的高溫穩定性能較好，但玻璃纖維對瀝青混合料的低溫性能和水穩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定性且不會破壞材料內部的調溫性能。

1.1.4 秸稈纖維

瀝青混合料在工程應用的過程中主要發生的是剪切破壞，主要原因是瀝青混合料內部空隙較大且數量較多。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則分布，在裂縫處的纖維相互搭接起來會起到一定的約束作用，從而會在一定程度上阻止裂縫的產生。

1.2 試驗纖維改良劑的選用

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、熱穩定性和強度的性質，但其較高昂的價格限制了其應用；另一方面，玻璃纖維等纖維雖然強度較高、同時價格低廉，但是其易脆裂、非生物降解的特性又導致其在實際應用中無法被廣泛使用，而秸稈纖維的基本屬性與木質素纖維相近，若制備出的秸稈纖維應用于瀝青路面的實際工程中，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象。

2 試驗纖維改良劑的制備儀器及方法

2.1 試驗原料和制備儀器

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、錘式粉碎機、烘箱、篩網等。

2.2 試驗材料的制備方法與分析

2.2.1 秸稈原料的預處理

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℃的不同溫度狀態下浸泡處理2～4 天，達到秸稈外皮可輕易剝離的狀態為佳，將其取出，并自然晾干（或用烘箱進行烘干處理）使其達到飽和面干狀態，再對其人工處理進行切斷，最終剪切成 8mm 至10mm 的小段。

2.2.2 秸稈纖維的制備

1.細段狀秸稈原料的纖維制備方法

細段狀秸稈物料在經過上述預處理之后可經由濕法或干法進行高速剪切分散，若運用濕法制備舉例，即將面干狀態下的秸稈物料送入粉碎室，經過立體式刀片粉碎機或錘式粉碎機高速運轉刀片的剪切、撞擊、撕裂等作用，使纖維束分裂散開，所得到的物料經過烘干后用篩網篩分出團絮狀物，即為秸稈纖維，再經過干燥處理得到成品。

2.長段狀秸稈原料的纖維制備方法

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

2.3 制備加工方法總結

2.3.1 秸稈纖維制備加工方法的比較與選用

在多次設備探究試驗過程中得到最佳的制備秸稈纖維的方法為物理-機械法（P-M 法），即根據秸稈的自身物理特性，對其進行充分浸泡，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或錘式打印機進行多次粉碎。在粉碎取纖維的過程中間，表皮纖維和木質部分都受到刀片的剪切、沖擊，并在高速旋轉切割下被打散成為團絮狀纖維[1]。另外，使用預先經過剪碎至毫米級長度的段狀秸桿料加工纖維，與直接使用長段狀秸稈原料進行制備之間的優劣，尚存有探索的空間。

2.3.2 秸稈纖維制備方法的評價

秸稈來自于植株的莖稈，其有著類似于木材的特性，如其木質部分緊密，表皮部分堅固，使其內部所含有的纖維束分散需要施加很大的外力[2]，因此，應當通過浸泡從而使得秸稈的纖維束自然吸收水分，在其結構間內應力增大時，再進行機械外力切割作用較佳[3]。

由于在粉碎機粉碎過程中，纖維表面的果膠并未在機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，纖維常常呈現出難以分散、纏結、打結等的狀態。因此，在摻入瀝青混合料之前需要對所制備得的秸稈纖維進行分散預處理；同時，在摻入瀝青混合料后，對秸稈纖維進行表面改性處理，有助于促進纖維與瀝青的結合界面性能的提高，且有利于纖維對瀝青粘附性能的提高[4]。

3 研究結果及分析

3.1 秸稈纖維瀝青膠漿的針入度

針入度是評價瀝青膠漿的粘性和穩定性的性質。針入度越小，其抵抗剪切形變能力較強。

3.1.1 溫度對針入度的影響

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，同時改變瀝青的組分，在瀝青膠漿中形成聯結，阻止瀝青塑性流動。

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能力。與此同時，隨溫度升高，纖維瀝青膠漿的針入度與基質瀝青膠漿的針入度的比值差距變大。這體現纖維提高瀝青膠漿的穩定性和韌性的能力，能夠在高溫區更好地體現，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素纖維膠漿，而前者的抗剪強度比后者的抗剪強度較強，這是由于秸稈纖維的韌性比木質素纖維更優且前者纖維長度相對較長，秸稈纖維在瀝青中的網絡結構使得瀝青的粘度、穩定度提高的能力高于木質素纖維在相同狀況下的能力[5]。總而言之，秸稈纖維膠漿的針入度小，且其抗剪切形變的能力強。

3.1.2 纖維摻量對針入度的影響

相同溫度條件下摻加纖維，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，抗剪強度提升的變化趨小。當摻量達到一定比例后，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，抗剪強度提高。然而隨著纖維含量的進一步增大，瀝青膠漿的粘度增大，纖維分散較為困難，會出現凝聚現象，削弱了纖維提高穩定性和韌性的能力，對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

延度可用來評價瀝青膠漿的抗張拉性、抗裂性和低溫開裂性等性質。

將纖維以一定的比例摻入基質瀝青，對經過彈性恢復試模的成型試件進行勻速拉伸，并與純瀝青注模做對照。發現摻加秸桿纖維后，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論。試驗表明，對纖維預先進行加熱保溫對延度具有一定的影響，隨著纖維加熱保溫時間的延長，纖維瀝青膠漿的延度初始下降較快，隨后下降速度變緩：當纖維加熱保溫時間從3h 延長到5h 時，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，即延度基本趨于穩定[7]。此外，長徑比>30:1 的瀝青路面用增強棉秸桿纖維，在瀝青膠漿中對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度的能力更強。

3.3 秸稈纖維瀝青膠漿的軟化點

軟化點可用來評價瀝青高溫穩定性的性質，瀝青膠漿的軟化點越高表明其混合料的高溫穩定性越好。

當瀝青中摻加秸稈纖維僅其摻加比例改變時，通過對其軟化點的標準試驗可得到，纖維瀝青膠漿的軟化點隨著纖維產量的增加而先增大后減小。當僅單一摻加秸稈纖維的瀝青膠漿的軟化點約為69.9℃，其值高于僅單一摻加木質素纖維的瀝青膠漿的軟化點約為69.1℃時，表明秸稈纖維改善瀝青膠漿高溫性能的能力強于木質素纖維[8]。

3.4 秸稈纖維在瀝青膠漿中的吸油性

采用標準的網籃法對纖維的吸油性進行研究試驗，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吸附有一層瀝青膜，從而使得瀝青中間膠質的比例相對提升較高，同時無序分布的吸附性纖維形成網狀立體狀結構，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接近。從吸附角度分析，不同纖維對瀝青的吸附能力受纖維長徑比、瀝青表面張力、環境溫度等因素的影響，而秸桿纖維長度和直徑分布更為均勻，因此長徑比分布較為穩定，對瀝青的吸附作用起到增益作用。

4 結論

（1）從社會經濟與生態，以及秸稈纖維本身在瀝青膠漿工程實際中的應用性能等方面，對多種類型纖維對比分析，可以得到秸稈纖維在瀝青膠漿中展現的能力將是路用纖維的優選。

（2）對秸稈纖維瀝青膠漿的三大主要指標性能（針入度、延度、軟化點）和秸稈纖維在瀝青膠漿中的吸油性方面分析，秸稈纖維對瀝青膠漿的性能提升能力顯著、表現優異，均高于或接近于與其特性相近的木質素纖維，對現有工程應用中的纖維有著良好的可替代性。