沥青路面增强用棉秸秆纤维的制备及性能研究

胡洁琼，赵国栋，刘开平，刘竞怡

（1.陕西省高速公路建设集团公司，西安710065；2.黄河中上游管理局，西安710021；3.长安大学材料科学与工程学院，西安710064）

沥青路面增强用棉秸秆纤维的制备及性能研究

胡洁琼1，赵国栋2，刘开平3，刘竞怡3

（1.陕西省高速公路建设集团公司，西安710065；2.黄河中上游管理局，西安710021；3.长安大学材料科学与工程学院，西安710064）

秸杆是我国一项潜力巨大的生物质资源，研究其价值并进行利用对于可持续发展意义重大。论文通过机械方法将棉花秸杆制备成沥青路面增强用秸秆纤维，并研究了其路用性能。研究结果发现，秸秆的浸泡程度及含水量对纤维的制备效果有重要影响。制备秸秆纤维时，预先将秸杆碾压，并适当提高浸泡温度，延长浸泡时间，均有利于纤维制备。但随着温度的升高及保温时间的延长，秸杆纤维的颜色变深，加热后碾压破碎率上升，其纤维沥青胶浆的延度降低。因此，纤维沥青混合料拌和与施工中，应适当缩短加热拌合及施工时间，以减少沥青与纤维的热氧老化及碳化。

棉秸秆纤维；纤维制备；纤维沥青胶浆；纤维沥青混合料；路用性能

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

1 概述

我国是农业大国，小麦、棉花等农作物生产每年都会产生大量的秸杆，但90%以上的秸杆资源未得到合理的开发和利用，不仅造成了巨大的资源浪费，而且秸杆焚烧造成了严重的环境污染。作为副产物的秸秆，其组成与木材类似，若能加工成生物纤维材料，就可以得到高价值的利用，产生较好的经济和社会效益。在沥青混合料中掺加纤维可以改善沥青混合料的路用性能，提高路面的使用年限，降低养护成本，近年来，在我国高速公路中得到了广泛的应用[1]。因此，将秸杆作为纤维类生物质资源，对我国交通的可持续发展意义重大。

2 试验原料、仪器设备及方法

2.1 试验原料

秸杆使用来自新疆及陕西等地的棉花；木质素纤维使用

市售沥青路面用木质素纤维，质量要符合《沥青路面用木质素纤维》（JT/T 533-2004）的技术指标要求；渗透剂使用快速渗透剂OT，属阴离子型表面活性剂沥青；AS90#基质沥青混合料；AC-13沥青混合料及SMA-13级配沥青混合料水。

2.2 仪器制备

秸杆纤维加工设备：市售刀片式粉碎机及锤式粉碎机；扫描电子显微镜；日立S-4800型，扫描电子显微镜；JJYMX-1纤维吸油率测定仪；LYY-9B调温调速沥青延度仪；CZ-4车辙试样成型仪；HYCZ-5型自动车辙试验机；烘箱、电炉、玻璃棒，烧杯、网篮等。

2.3 秸秆纤维制备

先清理秸秆中的泥土及杂物，然后放入渗透剂的溶液中浸泡7d左右，取出沥水，自然晾干至饱和面干状态，再切割成长度为8～10mm的碎段，放入不同的粉碎机中进行劈分，得到秸杆纤维。

2.4 秸杆纤维性能测试

采用光学及电子显微镜进行纤维形貌观察及长径比测定，采用烘干称重法测定纤维的含水率。

以纤维对基质沥青的吸附量表征纤维的吸油率；以纤维在不同温度及不同保温时间下的热失重、加热后颜色的变化及结构变脆情况表征纤维的耐热性；参照《沥青延度试验》（T0605—1993）的方法，采用沥青延度仪进行纤维沥青胶浆延度测试；参照《沥青混合料车辙试验》（T0719—1993）的方法，采用车辙试样成型仪制备车辙试样，以车辙试验仪进行纤维沥青混合料的动稳定度测试。

3 试验结果及分析讨论

3.1 纤维加工工艺对加工效果的影响

3.1.1 秸杆浸泡程度及含水率对纤维加工效果的影响

秸杆中较高的含水率有利于秸杆的制备，但含水量过大，会使纤维在制备的过程中粘结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，这样对加工工艺不利，加工效率低。但含水率较低时，棉秸秆则呈现较为干燥的状态，在实验过程中易被高速剪切打碎成颗粒状或粉末状，纤维量很少。说明秸杆需要在吸水膨胀的韧性状态下进行高速劈分才有利于制备出纤维。根据本试验的实际情况，最佳秸杆含水率应保持在60%～70%。

3.1.2 浸泡温度的影响

浸泡温度对纤维加工效果也有影响，室温时，纤维得率可达80%，温度为60℃时，纤维得率可达97%，温度为90℃时，纤维得率可达99%（其中纤维得率是将制备产物中的木屑和粉末筛除后得到）。由此可得，浸泡温度越高，纤维制备的得率越高，但温度越高，制备能耗也越高，制备工艺也越复杂。实验发现，选择室温浸泡并适当延长浸泡时间也可以达到较好的效果。

3.1.3 粉碎劈分时间的影响

对相同的湿秸秆在不同时间进行粉碎，得到的纤维也有一定的差别。经试验得出：6min制备的纤维较细，劈分效果较好，而2min制备的纤维较粗，劈分效果不佳，说明粉碎时间长有利于纤维的劈分。

3.1.4 加工设备对纤维物理性能的影响

不同的设备制备的纤维有很大的差别。刀片式粉碎机制备的纤维（A）比较绒，纤维比较细，而锤式打散机制备的纤维（B）比较粗。

3.2 秸秆纤维的性能

3.2.1 棉秸秆纤维的耐热性

将A型秸杆纤维在140～170℃时保温5h，将B型纤维在160℃的烘箱保温3～7h，观察2种纤维的颜色变化，测量其质量损失，并进行碾压筛析（0.9mm）以观察碳化状况，试验结果如表1、表2所示。

表1 A型秸杆纤维耐热性试验结果

表2 B型秸杆纤维耐热性试验结果

从表1和表2可知，随着温度的升高及保温时间的延长，其质量损失率在13%～16%之间，没有随温度的上升呈直线上升状态，而是保持着较为平稳的变化，说明纤维有一定的耐热性。但随着温度的升高及保温时间的延长，纤维的颜色变得越来越深，加热后碾压破碎率呈上升趋势，说明加热时秸杆纤维有碳化和变脆现象。由此可知，要有效发挥秸杆纤维的作用，在纤维应用的过程中，温度不可过高，加热时间也不可过长。

另外，比较表1和表2可以发现，在相同的加热条件下，A型秸杆纤维和B型秸杆纤维的热失重率虽然相同，但后者加热后的碾压破碎率（8.1%）远远低于前者（19.5%），说明B型秸杆纤维的耐热性明显优于A型秸杆纤维。

3.2.2 秸秆纤维的吸油性

取A、B、C 3种纤维各5g，将这3个样本分别掺入200g基质沥青，搅拌均匀后倒入放置在烧杯的网篮中，倒入沥青量（L1）约布满网篮底面薄层，再将其置入（170±2℃）烘箱保温1h，取出称量其滴出沥青的质量（L2）；依据公式：w%=（L1-L2）/ L1×100%，计算3个样本的平均值得出纤维的吸油率w。

试验结果表明，木质素纤维的吸油率最大，这是因为木质素纤维的比表面积大，其吸油性最高。2种秸杆纤维的吸油率相近，其吸油率虽低于木质素纤维，但数值也较高，达到41%～42%，用于沥青路面增强，具有可行性。

3.3 秸秆纤维沥青胶浆的延度

随着纤维加热保温时间的延长，纤维沥青胶浆的延度初始下降较快，随后下降速度变缓。当纤维加热保温时间从3h延长到5h时，纤维沥青胶浆的延度从42.5cm降低到37.1cm，减少了13.3%，而从5h延长到7h，延度则从37.1cm降低到36.5cm，减少了1.6%，下降变缓，即延度基本趋于稳定。说明加热时间延长到一定程度，对纤维的韧性及纤维沥青胶浆的延度影响变小。合料的动稳定度提高了30.5%，且在用量较少的情况下还高出木质素纤维的沥青混合料；SMA-13沥青混合料的动稳定度提高了11%，在用量较少的情况下也高出木质素纤维沥青混合料。另外，观察试验后的试样车辙，发现添加秸秆纤维试样的车辙深度明显较小，说明秸杆纤维可以明显提高沥青混合料的高温稳定性，且优于木质素纤维。

3.4 秸秆纤维沥青混合料的高温性能

制作每组3个的AC-13级配车辙试样3组，分别是B型秸杆纤维掺量为0%的普通沥青混合料、0.3%木质素纤维沥青混合料和B型秸秆纤维掺量为0.2%沥青混合料。并制作每组3个的SMA-13级配车辙试样2组，分别是0.3%木质素纤维沥青混合料和B型秸杆纤维掺量为0.3%沥青混合料。采用车辙试验仪对试件进行动稳定度测试，以评价秸秆纤维沥青混合料的高温稳定性。从试验得出，掺加纤维后，AC-13沥青混

4 结论

1）秸秆的浸泡程度及含水量对纤维的制备效果有重要影响。预先将秸杆碾压处理，并适当提高浸泡温度，延长浸泡时间，均有利于纤维的制备。制备纤维的秸杆最佳含水率以60%～70%之间为宜。

2）采用刀片式粉碎机和锤式粉碎机均可制备出长径比大于30的沥青路面增强用秸杆纤维，其中后者纤维虽然较粗，但制备工艺简单，其纤维的耐热性明显优于前者，且其沥青胶浆的延度也较大，在沥青胶浆中起到的增黏和增强作用更明显。

3）秸杆纤维的高温质量损失率在13%～16%之间，吸油率为41%～42%。掺加秸杆纤维后，沥青胶浆的延度明显降低。但可明显提高沥青混合料的高温稳定性，且优于木质素纤维。掺加0.2%秸杆纤维后，AC-13沥青混合料的动稳定度提高了30.5%，SMA-13沥青混合料的动稳定度提高了11%，并且试样的车辙深度明显减小。

4）随着温度的升高及保温时间的延长，纤维的颜色变深，加热后碾压破碎率上升，其纤维沥青胶浆的延度降低。因此，纤维沥青混合料拌和与施工中，应适当缩短加热拌合及施工时间，以减少沥青与纤维的热氧老化及碳化。

【1】陈华鑫.纤维沥青混凝土路面研究「D].西安:长安大学，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

新疆兵团科技支疆计划项目（2014AB027）

胡洁琼（1983～），女，陕西西安人，工程师，从事道路材料与工程技术研究。