生物质纤维沥青混合料的研究进展

熊余康 李强 陈硕秋

摘 要：沥青混合料在沥青道路质量中起着重要的作用，因此沥青混合料的路用性能是值得道路研究人员考虑的重要因素。纤维的加入能使得沥青混合料的性能产生巨大的改善，尤其近几年来对于生物质纤维的研究变得更加的频繁，如秸秆纤维、竹纤维以及蔗渣纤维对于沥青混合料性能改善的研究渐渐地进入了人们的视野。为此，本文主要就生物质纤维在沥青混合料中的运用的进展进行相应的研究，重点包含秸秆纤维沥青混合料研究进展、竹纤维沥青混合料研究进展以及蔗渣纤维沥青混合料研究进展等。

关键词：生物质纤维; 沥青混合料; 沥青路面

中图分类号：U414        文献标识码：A          文章编号：1006-3315（2021）10-219-002

1.引言

近几十年来，沥青路面在中国道路的发展过程中占据着主要的地位，沥青混合料的路用性得到了大众的广泛关注。为了改善沥青混合料的性能，人们通常会在沥青混合料中加入各种纤维，之前人们通常会加入玄武岩纤维、玻璃纤维等。但是随着人们对于农林废弃物再利用意识的提高，秸秆纤维、蔗渣纤维以及竹纤维得到了发展，这些由农、林业固废制作而成的生物制纤维在沥青混合料的性能改善方面起着重大的作用。

2.秸秆纤维沥青混合料

2.1秸秆纤维

秸秆指的是成熟农作物茎叶部分的总称。我国作为农业生产大国，每年的的秸秆产量达到九亿多吨，但是根据统计我国秸秆的利用率达不到四成。因此秸秆作为主要的农业废弃物，对我国的生态环境造成了很大的不良影响，所以就有道路工程的研究人员将秸秆做成纤维加入到沥青混合料中，改善沥青混合料性能的同时增加了秸秆的利用率。目前用于道路秸秆纤维使用的主要是玉米秸秆纤维以及棉秸秆纤维，纤维制作时的工艺和流程不同对于纤维的使用效果产生巨大影响，但是对于秸秆纤维的制作工艺和流程目前还未有统一的标准。目前学者普遍的认为玉米秸秆纤维室内制作流程大致为：秸秆的取芯取皮→浸泡→破碎→烘干→筛分。华北水利水电大学李振霞通过试验证明玉米秸秆纤维最佳制备工艺为长度10士2mm秸秆皮浸泡4h后，在29000r·min-1转速下破碎2min[1];道路研究人员认为棉秸秆纤维室内制作的流程大致为：预处理、破碎、浸泡处理、高速剪切分散、烘干、筛析。石河子大学廖欢通过研究试验证明棉秸秆纤维最佳制备工艺流程为：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]。

2.2秸秆纤维对沥青混合料路用性能的影响

沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等其他路用性能与沥青道路的使用寿命都有着密不可分的联系，因此研究秸秆纤维对于沥青混合料性能的影响就显得尤为重要。研究人员通过车辙试验对比无秸秆纤维沥青混合料和掺秸秆纤维沥青混合料的高温稳定性差异，发现掺秸秆纤维沥青混合料的动稳定次数明显高于未掺秸秆纤维沥青混合料的动稳定次数，摻秸秆纤维的沥青混合料高温稳定性明显更优，原因主要是秸秆纤维能够吸附“自由沥青”从而增加“结构沥青”的数量，并且秸秆纤维的加入使得沥青胶浆中形成网状结构，具有传递荷载的作用，因此增加高温稳定性;研究人员通过冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验来对比无秸秆纤维沥青混合料和掺秸秆纤维沥青混合料的水稳定性的差异，结果表明掺秸秆纤维的沥青混合料的水稳定性明显要优于未掺秸秆纤维的沥青混合料的水稳定性，原因主要是增加秸秆纤维会使得沥青胶浆的稠度，使得骨料之间结合的更加紧密，从而降低了空隙率，增加了沥青混合料对水分侵入的抵抗性;研究人员通过小梁弯曲试验来评价掺秸秆纤维沥青混合料的低温抗裂性能，结果表明秸秆纤维的加入使得沥青混合料的低温抗裂性有所提升，原因主要是沥青与秸秆纤维之间有较好的结合力，从而提高了沥青混合料的整体性，增强了低温抗裂性能。

3.竹纤维沥青混合料

3.1竹纤维

道路用竹纤维是指竹子经过一系列特殊的加工的纤维，具有造价低、力学性能好、环境污染较低的特点，并且竹纤维的加入使得沥青混合料的性能得到改善，因此近年来竹纤维逐渐进入人们的视野。竹纤维的制作方法可以分为物理方法和化学方法两种方法，物理方法由于其操作简单，环境污染较小，且生产效率较高，已经被广泛的运用。目前竹纤维的制作流程大致为：清水常温浸泡24小时——粉碎机进行破碎——搓碾成絮状——过筛（10mm）——自然风干20小时——得到竹纤维[3]。当然也可通过化学手段对竹纤维进行改性，得到性能更优的竹纤维，用以提高沥青混合料的性能。福建林业大学贾暗明采用三聚氰胺-甲醛共聚物喷射在竹纤维上，再在103℃烘箱中烘干20小时以上，从而得到改性后的竹纤维[4]，改性后的竹纤维在力学性能上得到一定改善。

3.2竹纤维对沥青混合料路用性能的影响

竹纤维加入沥青混合料中，使得沥青混合料的路用性能得到改变，目前诸多研究人员对此改变进行了大量的研究。研究人员通过小梁直接拉伸试验和静态间接拉伸试验对掺入竹纤维的沥青混合料的力学性能进行评价，试验结果表明：掺入竹纤维的沥青混合料的抗拉强度要明显高于未掺竹纤维的沥青混合料。分析其主要原因是：竹纤维的吸油性能较好，可以吸附更多的沥青，并且竹纤维的加入存在一种榫卯作用，加强了沥青与骨料之间的连接作用;研究人员通过车辙试验对掺竹纤维的沥青混合料的高温稳定性进行评价，试验结果表明：掺入竹纤维的沥青混合料的动稳定度略高于未掺竹纤维的沥青混合料，这说明竹纤维的加入一定程度的提高沥青混合料的高温稳定性。但是竹纤维的加入使得最佳油石比增加，一定程度上提高了沥青混合料的成本，并且随着沥青用量的掺入竹纤维对于沥青混合料的高温稳定性改善效果明显降低。经过分析，竹纤维的加入能提高沥青混合料的高温性能原因是：竹纤维能吸附自由的沥青，并且在沥青胶浆中形成网状结构，有一定的连接固定作用;研究人员通过三点弯曲试验对竹纤维沥青混合料的低温抗裂性能进行评价，结果表明掺竹纤维的沥青混合料低温抗裂性能明显的优于未掺竹纤维的混合料。分析其主要原因是：竹纤维的加入能增强沥青的黏结力，增强了骨料与沥青结合界面的强度，并且低温下沥青自身的劲度增大，最终使得混合料表现出更好的低温性能;研究人员通过浸水马歇尔试验所测的马歇尔浸水残留稳定度来评价沥青混合料的水稳定性，研究结果表明：掺竹纤维的沥青混合料的残留稳定度要略微的高于未掺竹纤维的沥青混合料的残留稳定度，即掺入竹纤维只能在较小的程度上提高混合料的水稳定性。分析其原因主要是：在浸水的条件下，竹纤维的加入所起到的粘结加筋作用对沥青混合料抵抗水损害有一定的效果。

4.蔗渣纤维沥青混合料

4.1蔗渣纤维

蔗渣纤维是指工业的蔗渣经过一系列的加工而得到的纤维。甘蔗作为我国的产糖的主要作物，被广泛的应用于制糖业，并且蔗渣的产量为食糖的三到四倍，数量庞大，若处理不当必将会给环境带来不利的影响，成为另外一种工业垃圾。根据研究发现，蔗渣中含有丰富的生物质能，并且木质化程度较高，可以通过化学或者物理加工手段将其制作成路用纤维[5]。

4.2蔗渣纤维对沥青混合料路用性能的影响

目前就蔗渣纤维对沥青混合料的路用性能的影响，研究人员做了一定程度上的研究。研究人员通过析漏试验测定蔗渣纤维的加人对沥青混合料路用性能的改善，并且与絮状木质素纤维进行对比。结果表明相同的油石比的条件下，掺絮状木质素纤维的沥青混合料的析漏损失率要比掺蔗渣纤维的沥青混合料的析漏率要大，这说明蔗渣纤维的吸附沥青的能力相对于絮状木质素要优越，对沥青混合料的路用性能有一定改善效果。另外就掺蔗渣纤维的沥青混合料，研究人员通过车辙试验对其高温稳定性进行评价，浸水马歇尔试验对其水稳定性进行评价，低温弯曲应变试验对其低温性能进行评价，并且以掺絮状木质素纤维的沥青混合料作为对比组。试验结果表明：掺蔗渣纤维沥青混合料的各项路用性能都符合规范的标准，并且与掺絮状木质素纤维的沥青混合料的路用性能基本保持在相似水平，证明了蔗渣纤维的掺入确实提高了混合料的路用性能。但是目前关于蔗渣纤维沥青混合料的其他方面性能的影响还有待更深入的研究。

5.生物质纤维的技术指标及问题

上述的三种生物质纤维并没有统一的制作工艺及流程。在生物质纤维的制作过程中由于使用的原材料、加工工艺、加工顺序以及酸碱改性剂的添加不同，都会导致所生产出的生物质纤维的使用效果不同，加入沥青混合料中对混合料路用性能的改性效果不同。又因为对于生物质纤维还没出台统一的技术指标，因此在此参考道路工程中使用较为普遍的木质素纤維的技术指标。生物质纤维的长度小于6mm;冲气筛分析：0.150mm筛通过率为60%-80%;普通网筛分析：0.850mm筛通过率为75%-95%，0.425mm筛通过率55%-75%，0.106mm筛通过率20%-40%;灰份含量为13%-23%，并且无挥发物;PH值为6.5-8.5;吸油率不小于纤维自身质量的5倍;含水率小于5%;耐热性要求是，210℃下加热两小时后，颜色、体积基本无变化，热失重不大于6%[6]。

另外目前如何评价生物质纤维在沥青胶浆中的分散性以及相容性的问题是重点考虑和研究的方向。若生物质纤维在胶浆中打结、成团，降低了沥青与骨料之间的粘结性能，不仅起不到对沥青混合料路用性能的改性作用，而且会降低沥青混合料的路用性能。

6.结语

道路用生物质纤维的使用，不仅给了农业、林业所生产的废弃物再度利用的机会，节约资源，改善环境，并且给道路工程带来不小的裨益。生物质纤维对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性等路用性能都或多或少的带来了改善，但是值得注意的是生物质纤维由于其自身吸油率较高的特点，在工程使用中会增加沥青的用量，提高一定的造价成本。因此，不同的生物质纤维的使用还需结合实际情况综合考虑。

参考文献：

[1]李振霞，陈渊召，周建彬，孙爽.玉米秸秆纤维沥青混合料路用性能及机理分析[J]中国公路学报，2019，32（02）：47-58

[2]廖欢.棉秸秆纤维沥青混合料性能研究[J]中国建材科技，2017，26（01）：27-29

[3]聂思宇，李佩，昊庆定，刘克非.路用木质素纤维与竹纤维环境与经济成本对比研究[J]湖南交通科技，2019，45（04）：7-12+29

[4]贾暗明.竹纤维增强沥青混凝土的制备与性能[D]福建：福建林业大学，2018

[5]陈开群，辫炜安，李祖仲.蔗渣纤维沥青胶结料黏度特性及其混合料路用性能研究[J]中外公路，2020，40（03）：278-283

[6]中华人民共和国交通行业标准JT/T533-2004[S]2004：23-28