棉秸秆纤维沥青混合料性能研究

廖 欢（石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003）

棉秸秆纤维沥青混合料性能研究

廖 欢（石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003）

以棉秸秆纤维作为沥青混合料的增强材料，研究棉秸秆纤维制备过程中的关键因素对其增强性能的影响。通过控制棉秸秆纤维制备时的浸泡程度、喂料前的含水量和粉碎室内的打散时间三个关键工艺参数，根据棉秸秆纤维的吸油性、耐热性、吸湿性、棉秸秆纤维掺入沥青胶浆的延伸度等评价，确定最佳的制备工艺流程。

棉秸秆纤维；制备工艺；路用性能

新疆是我国的棉花主产区，棉秆的产量十分丰富，但棉花秸秆的利用率很低。目前，棉秆的处理方式大多以粉碎后回埋还田为主，只有少量被用作制备生物燃料[1]、吸附剂、纤维素[2]及保温材料等。棉秆含有丰富的纤维，是自然界中天然的高分子材料。棉秆纤维的形态特点是长径比大、比强度高、比表面积大、密度低及可生物降解等，其强度在大部分情况下可满足增强材料的要求。本项目是通过对棉秆纤维进行预处理，研究棉秆纤维对吸油性、耐热性、吸湿性、棉秸秆纤维掺入沥青胶浆的延伸度的影响，以期制备性能良好的路用沥青混合料的增强材料。

1 制备工艺路线比选

根据棉秸秆自身的物理特性，将其进行充分浸泡，自然晾干至表面干燥（即可以控制其含水率），再放入刀片式粉碎机进行多次粉碎，形成纤维状。本文制定了两条工艺路线：一是将棉秸秆粉碎成不大于1cm的颗粒状的物料进行研究。二是使用全棉秸秆进行试验研究。

1.1 预处理工艺

棉花植株茎秆有着类似于木材的特性，木质部紧密，韧皮部坚固，直接将棉秆纤维束分散和松解开需要很大的外力，对机械设备要求较高。结合棉秆自身的特性，将其置于水中浸泡，让棉秸秆纤维束充分吸收水分，增加其内部应力，再使用机械外力效果较好。因此，将两种形式的棉秸秆清洗后，放入清水中浸泡，并添加阴离子表面活性剂去除秸秆内的果胶。浸泡2-4天，待棉秸秆皮部可手动剥离为佳，将其取出沥水至饱和面干状态。

1.2 高速剪切分散

颗粒状物料在预处理之后采用湿法进行高速剪切分散，经高速运转的刀片进行剪切、撞击、撕裂等作用，使得纤维束分散，筛分出类似于绒毛状的纤维。全棉秸秆同样，在机械破碎、预处理工艺之后，采用湿法进行高速剪切分散，得到分散的绒状纤维。通过不断地探究和尝试，采用立体式刀片打散机的较好打散时间约为 3x2 min；制备棉秸秆纤维最符合纤维状态的最佳含水率在65.1%-70.3%。

1.3 烘干后处理

自然风干或烘干后，纤维表面的果胶并未在预处理和机械外力作用下完全脱去，纤维常常呈现出打结、缠结、不分散等状态。因此，在掺入沥青混合料之前需要对棉秸秆纤维进行分散及表面改性处理，这样有助于改善纤维在掺入沥青混合料后，纤维与沥青的结合界面性能得以提高，有利于提高其对沥青的粘附性。

1.4 最佳工艺流程

棉秸秆纤维最佳制备工艺流程及参数：全棉秸秆——预处理（碾压+剪切碎段，清水、常温充分浸泡3-4d）——干燥至表干状态（含水量65.1%-70.3%）——碎段8-10mm——喂料高速剪切打散（立体式刀片打散机3x2min）——干燥——纤维。

2 棉秸秆纤维路用性能评价

2.1 棉秸秆纤维的吸油性评价

吸油性试验测试（参照规范网篮法，将煤油替换为AS90#基质沥青，以下简称基质沥青）。将定量的二组纤维5g掺入200g基质沥青，搅拌均匀后倒入放置在烧杯中的网篮，倒入沥青（需称量L1）约布满网篮底面薄层，再将其置入烘箱(170±2)℃保温1h，取出称量其滴出沥青的质量L2；则依据算式w%=（L1-L2）/L1x100%，计算得出吸油率w%，实验结果见表1。

表1 纤维吸油性实验

吸油性是路用纤维最重要的技术性能之一，吸油性好坏直接决定了棉秸秆纤维对沥青起到增粘、增韧作用的效果。以上对本文中所制备的路用棉秸秆纤维吸油率作了测试，将其和木质素纤维在同样的条件下对照进行试验，显然木质素纤维的表面积最大，平均吸油性率为58.2%；棉秸秆纤维的平均吸油率为42%。与木质素纤维的吸油性对比，棉花秸秆的吸油性略低，如果对加工工艺再作调整，其吸油性会有所提升。从吸附的角度来讲，纤维对沥青的吸附是受到温度、沥青表面的张力、纤维长径比的分布等多重因素的变化而变化，棉秸秆纤维长度分布较为均匀，且粗细均匀，长径比分布稳定，这些因素对沥青的吸附作用也会起到有利影响。

2.2 棉秸秆纤维的耐热性评价

耐热性作为路用纤维材料的重要性能之一。通常热拌沥青混合料在高达190℃高温下，甚至需要长距离运输、保温，所以，施工要求所掺入纤维材料有较好的耐热性，在高温下不发生物理化学性能的改变。木质素作为与棉秸秆纤维相近的天然植物纤维，其添加在沥青混合料中所需要其耐热能力达230℃（短时间可达 280℃）。对于棉秸秆纤维的耐热性分析，在高温恒温过程中，检测棉秸秆纤维在不同温度下的质量损失、颜色变化、纤维的脆性，定性或者定量评价其在高温情况下的耐热性[3]。

实验是在四种不同的温度下进行，每组取棉秸秆纤维10 g，各三组，首先放置在 50℃烘箱内烘干保温1h，再分别将其放入的不同温度（140℃、150℃、160℃、170℃）的烘箱保温5 h，取出称量其各项质量变化情况，计算质量损失率 W1%，观察纤维颜色变化。用木棒进行两次碾压，观察其纤维的破碎状况，进行筛分（筛网为 0.9mm，先将粉末状物质筛去，再经过碾压得到＜0.9mm的视为因保温而破碎的量）以观察纤维在不同温度下变脆的状况。实验结果如表2。

表2 不同温度下棉秸秆纤维耐热性实验

棉秸秆纤维在不同温度（140℃、150℃、160℃、170℃）下经过5小时的保温，对其定性分析颜色变化，随着温度升高，纤维的颜色变得越来越深，即纤维本身发生着变化，然而对不同温度下的纤维进行微观形貌分析时，发现表面形貌基本变化不大，没有特别典型的因温度高而产生的变化；对其定量的分析，计算其平均值，随着温度，其质量损失率在14%-16%之间，质量损失的变化没有直线的上升，而是保持在较为平稳的变化状态。综上所述：棉秸秆纤维在不同温度下可以保持较好的状态，受温度的影响较少。

2.3 棉秸秆纤维掺入沥青胶浆的延度试验

沥青胶浆的延度可以间接地反映纤维在掺入沥青混合料后其抗张拉性能，与实际路面抗裂性有一定的相关性，尤其与路面的低温开裂性能有很大关联[4]。

实验1将两种纤维加入到基质沥青中，搅拌均匀注入弹性模具，置于沥青延度测试仪中保持15℃静置1h，在7N作用力下拉伸延度测试并进行读数观察。

从对照试验可以发现，掺入棉秸秆纤维的沥青较掺入木质素纤维沥青其延度提升10%，即在实际路面的使用状况下，其低温状况下棉秸秆纤维沥青更不易发生开裂。这表明棉秸秆纤维在沥青胶浆中所起到增粘的作用更加明显。

实验2将碳化后的棉秸秆纤维（在160℃下保温3h、5h、7h）加入到沥青中，搅拌均匀注入弹性模具，置于沥青延度测试仪中保持15℃静置1h，在7N作用力下拉伸延度测试并进行读数观察。

表3 棉秸秆纤维沥青延度测试

表4 棉秸秆纤维沥青延度测试（160℃）

由表4中数据可知，从3h到5h，沥青胶浆延度减少了13.3%，而从5h到7h，沥青胶浆延度减少了1.6%，随着保温时间的延长，棉秸秆纤维沥青胶浆延度在逐渐减少，但从5h到7h，延度值下降较缓慢，基本趋于稳定。其原因在于：长时间高温作用下，棉秸秆逐渐老化变脆，柔韧性变差，纤维拉伸断裂强度下降，导致纤维胶浆韧性与延性变差。因此，纤维沥青混合料拌和生产后，应尽快摊铺、碾压，避免沥青与纤维的热氧老化。

3 结 语

1）在制备工艺方面木质素纤维相较棉秸秆纤维制作简单，但从环保和利废的角度考虑，棉秸秆纤维的制备将有很大的发展空间。

2）棉秸秆纤维和木质素纤维的动稳定度各有优势，实验结果表明木质素纤维对沥青的吸附作用优于棉秸秆纤维；但在稳定、增粘效果上棉秸秆纤维优于木质素纤维。虽然棉秸秆纤维的吸油性略低，但通过对加工工艺调整和纤维表面的处理，其吸油性会有所提升。

[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．沥青及沥青混合料路用性能[M]．北京:人民交通出版社,2001．

[3]彭波,李文瑛,戴经梁．纤维在沥青混合料中应用的研究[J]．中南公路工程,2003,28(2):44-46．

[4]宋云祥,等．玄武岩纤维沥青胶浆的路用性能[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文献辨识码：B

1003-8965(2017)01-0027-03

项 目：石河子大学应用基础研究青年项目（2014ZRKXYQ-LH08）；