廖 歡（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)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(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

以棉秸稈纖維作為瀝青混合料的增強(qiáng)材料，研究棉秸稈纖維制備過程中的關(guān)鍵因素對(duì)其增強(qiáng)性能的影響。通過控制棉秸稈纖維制備時(shí)的浸泡程度、喂料前的含水量和粉碎室內(nèi)的打散時(shí)間三個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)，根據(jù)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(píng)價(jià)，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(guó)的棉花主產(chǎn)區(qū)，棉稈的產(chǎn)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(tài)特點(diǎn)是長(zhǎng)徑比大、比強(qiáng)度高、比表面積大、密度低及可生物降解等，其強(qiáng)度在大部分情況下可滿足增強(qiáng)材料的要求。本項(xiàng)目是通過對(duì)棉稈纖維進(jìn)行預(yù)處理，研究棉稈纖維對(duì)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(qiáng)材料。

1 制備工藝路線比選

根據(jù)棉秸稈自身的物理特性，將其進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jìn)行研究。二是使用全棉秸稈進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1.1 預(yù)處理工藝

棉花植株莖稈有著類似于木材的特性，木質(zhì)部緊密，韌皮部堅(jiān)固，直接將棉稈纖維束分散和松解開需要很大的外力，對(duì)機(jī)械設(shè)備要求較高。結(jié)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(nèi)部應(yīng)力，再使用機(jī)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(nèi)的果膠。浸泡2-4天，待棉秸稈皮部可手動(dòng)剝離為佳，將其取出瀝水至飽和面干狀態(tài)。

1.2 高速剪切分散

顆粒狀物料在預(yù)處理之后采用濕法進(jìn)行高速剪切分散，經(jīng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的刀片進(jìn)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(jī)械破碎、預(yù)處理工藝之后，采用濕法進(jìn)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(jī)的較好打散時(shí)間約為 3x2 min；制備棉秸稈纖維最符合纖維狀態(tài)的最佳含水率在65.1%-70.3%。

1.3 烘干后處理

自然風(fēng)干或烘干后，纖維表面的果膠并未在預(yù)處理和機(jī)械外力作用下完全脫去，纖維常常呈現(xiàn)出打結(jié)、纏結(jié)、不分散等狀態(tài)。因此，在摻入瀝青混合料之前需要對(duì)棉秸稈纖維進(jìn)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(jié)合界面性能得以提高，有利于提高其對(duì)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(shù)：全棉秸稈——預(yù)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(tài)（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(jī)3x2min）——干燥——纖維。

2 棉秸稈纖維路用性能評(píng)價(jià)

2.1 棉秸稈纖維的吸油性評(píng)價(jià)

吸油性試驗(yàn)測(cè)試（參照規(guī)范網(wǎng)籃法，將煤油替換為AS90#基質(zhì)瀝青，以下簡(jiǎn)稱基質(zhì)瀝青）。將定量的二組纖維5g摻入200g基質(zhì)瀝青，攪拌均勻后倒入放置在燒杯中的網(wǎng)籃，倒入瀝青（需稱量L1）約布滿網(wǎng)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(zhì)量L2；則依據(jù)算式w%=（L1-L2）/L1x100%，計(jì)算得出吸油率w%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 纖維吸油性實(shí)驗(yàn)

吸油性是路用纖維最重要的技術(shù)性能之一，吸油性好壞直接決定了棉秸稈纖維對(duì)瀝青起到增粘、增韌作用的效果。以上對(duì)本文中所制備的路用棉秸稈纖維吸油率作了測(cè)試，將其和木質(zhì)素纖維在同樣的條件下對(duì)照進(jìn)行試驗(yàn)，顯然木質(zhì)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(zhì)素纖維的吸油性對(duì)比，棉花秸稈的吸油性略低，如果對(duì)加工工藝再作調(diào)整，其吸油性會(huì)有所提升。從吸附的角度來講，纖維對(duì)瀝青的吸附是受到溫度、瀝青表面的張力、纖維長(zhǎng)徑比的分布等多重因素的變化而變化，棉秸稈纖維長(zhǎng)度分布較為均勻，且粗細(xì)均勻，長(zhǎng)徑比分布穩(wěn)定，這些因素對(duì)瀝青的吸附作用也會(huì)起到有利影響。

2.2 棉秸稈纖維的耐熱性評(píng)價(jià)

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(dá)190℃高溫下，甚至需要長(zhǎng)距離運(yùn)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(fā)生物理化學(xué)性能的改變。木質(zhì)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(dá)230℃（短時(shí)間可達(dá) 280℃）。對(duì)于棉秸稈纖維的耐熱性分析，在高溫恒溫過程中，檢測(cè)棉秸稈纖維在不同溫度下的質(zhì)量損失、顏色變化、纖維的脆性，定性或者定量評(píng)價(jià)其在高溫情況下的耐熱性[3]。

實(shí)驗(yàn)是在四種不同的溫度下進(jìn)行，每組取棉秸稈纖維10 g，各三組，首先放置在 50℃烘箱內(nèi)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(xiàng)質(zhì)量變化情況，計(jì)算質(zhì)量損失率 W1%，觀察纖維顏色變化。用木棒進(jìn)行兩次碾壓，觀察其纖維的破碎狀況，進(jìn)行篩分（篩網(wǎng)為 0.9mm，先將粉末狀物質(zhì)篩去，再經(jīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 不同溫度下棉秸稈纖維耐熱性實(shí)驗(yàn)

棉秸稈纖維在不同溫度（140℃、150℃、160℃、170℃）下經(jīng)過5小時(shí)的保溫，對(duì)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(fā)生著變化，然而對(duì)不同溫度下的纖維進(jìn)行微觀形貌分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)表面形貌基本變化不大，沒有特別典型的因溫度高而產(chǎn)生的變化；對(duì)其定量的分析，計(jì)算其平均值，隨著溫度，其質(zhì)量損失率在14%-16%之間，質(zhì)量損失的變化沒有直線的上升，而是保持在較為平穩(wěn)的變化狀態(tài)。綜上所述：棉秸稈纖維在不同溫度下可以保持較好的狀態(tài)，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(yàn)

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(shí)際路面抗裂性有一定的相關(guān)性，尤其與路面的低溫開裂性能有很大關(guān)聯(lián)[4]。

實(shí)驗(yàn)1將兩種纖維加入到基質(zhì)瀝青中，攪拌均勻注入彈性模具，置于瀝青延度測(cè)試儀中保持15℃靜置1h，在7N作用力下拉伸延度測(cè)試并進(jìn)行讀數(shù)觀察。

從對(duì)照試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，摻入棉秸稈纖維的瀝青較摻入木質(zhì)素纖維瀝青其延度提升10%，即在實(shí)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(fā)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(shí)驗(yàn)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(cè)試儀中保持15℃靜置1h，在7N作用力下拉伸延度測(cè)試并進(jìn)行讀數(shù)觀察。

表3 棉秸稈纖維瀝青延度測(cè)試

表4 棉秸稈纖維瀝青延度測(cè)試（160℃）

由表4中數(shù)據(jù)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(shí)間的延長(zhǎng)，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(wěn)定。其原因在于：長(zhǎng)時(shí)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(qiáng)度下降，導(dǎo)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(chǎn)后，應(yīng)盡快攤鋪、碾壓，避免瀝青與纖維的熱氧老化。

3 結(jié) 語

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

2）棉秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的動(dòng)穩(wěn)定度各有優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青的吸附作用優(yōu)于棉秸稈纖維；但在穩(wěn)定、增粘效果上棉秸稈纖維優(yōu)于木質(zhì)素纖維。雖然棉秸稈纖維的吸油性略低，但通過對(duì)加工工藝調(diào)整和纖維表面的處理，其吸油性會(huì)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(jīng)梁．纖維在瀝青混合料中應(yīng)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(xiàn)辨識(shí)碼：B

1003-8965(2017)01-0027-03

項(xiàng) 目：石河子大學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究青年項(xiàng)目（2014ZRKXYQ-LH08）；