沥青混合料用纤维素纤维研究

摘 要

纤维素纤维广泛应用在SMA、OGFC等开级配、间断级配型沥青混合料中。本文主要论述絮状和粒状两种纤维素纤维的组成成分、作用机理、类型来源及加工工艺等方面内容。介绍了纤维素纤维耐热性、松方密度等性能参数对纤维性能的影响及试验方法。研究成果可为国内公路工程实际应用提供参考意见。

关键词

       絮状纤维素纤维 | 粒状纤维素纤维 | 耐热性 | 来源识别 | 性能参数

通常将长径比大且有一定柔韧性和强度的纤细物质称为纤维，其具有弹性模量大，塑性变形小，强度高等特点。纤维根据其生产条件可以分为天然纤维和化学纤维。天然纤维根据纤维来源可分为植物纤维、动物纤维及矿物纤维。化学纤维可分为人造纤维、合成纤维和无机纤维。目前我国公路工程常用植物纤维，如针叶木纤维。动物纤维和天然矿物纤维很少应用。其中天然矿物纤维，主要是石棉纤维会损害施工人员的身体健康并造成环境污染，已静止应用到公路工程当中。

纤维素纤维成分及作用机理

《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)、《公路沥青码蹄脂碎石路面技术指南》(SHCF40-01-2002)、《沥青路面用木质素纤维》(JT/T533-2004)将纤维定义为木质素纤维(plantfiber)，属于有机纤维，特指针叶木材纤维(coniferoustreefiber或coniferfiber)。在欧美、澳大利亚等国家称为纤维素纤维(cellulosefi-bers)，属于植物纤维。根据《中国土木工程建筑百科辞典》(工程材料上)中:纤维素纤维为某些植物的杆与韧皮经加工后制得的纤维，通常以针叶树、阔叶树作原料，直径为20~120μm，长度为0.5~5mm，抗拉强度为300~800MPa，弹性模量为10~30GPa。

植物纤维是由纤维素、半纤维素、木质素和其他少量杂质组成，由于植物纤维的主要化学成分是纤维素，故植物纤维可称为纤维素纤维。一般木材纤维中，纤维素占40%~50%，还有10%~30%的半纤维素和20%~30%的木质素。纤维素纤维原材料丰富，价格低廉，是现阶段纤维稳定剂的主流方向，应用较为广泛。

纤维素纤维的类型和来源

纤维素纤维分类

根据造纸行业植物纤维分类，可将纤维素纤维分为以下6类:(1)针叶树木材:如落叶松、红松、马尾松、云南松、樟子松等;(2)阔叶树木材，如杨木、桦木、桉木等;(3)草类植物:如芦苇、竹子、芒秆、麦草、稻草、龙须草、高粱杆、蔗渣等;(4)韧皮纤维类:如亚麻、黄麻、洋麻、檀树皮、桑皮、棉秆皮等;(5)种毛纤维类:如棉花、棉短绒、棉破布;(6)废纸纤维类:破残纸、旧纸板等。

根据我国沥青混合料的应用来看，可将纤维素纤维分为絮状和粒状两类见图1。粒状纤维素纤维是采用沥青或蜡做为造粒剂，由纯絮状纤维经物理作用制成的高质量高纯度的纤维。在沥青混合料拌和过程中纤维表面的沥青涂层受热易于融化，其中的纤维素纤维可以迅速分散在混合料中并吸附沥青，达到稳定沥青混合料的效果。主要应用在SMA、OGFC等开级配、间断级配型沥青混合料中，能起到持油、减少析漏等作用。我们通常将其称为纤维稳定剂(fiberstabilizer)。其推荐最佳用量是沥青混合料质量的0.3%~0.4%。但工程中的实际用量应考虑其它材料的选用、用量、施工工艺及天气环境等因素，根据试验结果再另行确定。

纤维素纤维来源

美国、加拿大、德国及法国等国家使用的纤维素纤维最常见来源于木材植物，也有一些来源于回收的报纸。在欧美国家特别是北美针叶木材资源非常丰富。而我国沥青路面用纤维素纤维来源较为复杂，生产工艺也不尽相同。我国部分纤维素纤维来源为针叶木等木材，部分来源于废报纸，部分甚至来源于破棉布，因此我国纤维素纤维质量差异较大。

针叶木浆纤维，原纤维长度为2.56~4.08mm，宽度为40.9~54.9μm，组织结构严密且杂细胞含量少。化学浆料中的杂细胞多在洗涤时流失，纤维质量好，木素含量达到25%-35%，多戊糖含量低，纤维不易吸水润涨。阔叶木纤维的长度约为1mm，宽度为8~16μm，组织结构更加紧密，杂细胞较多，木素含量较针叶木低，一般为20%~24%，多戊糖含量为21%-24%，易吸水润涨。木材纤维的强度高、耐热性好，其应用性能最佳，特别是针叶木材纤维被广泛的应用到公路工程当中。而棉花等破布纤维，秸秆纤维等耐热性较差，不宜应用到沥青混合料中。但我国的针叶木材资源不足，完全采用原木材纤维不现实，也可采用以针叶木材或阔叶木材为主的回收报纸等废纸材料。

纤维素纤维加工工艺

纤维素纤维按照加工工艺可分为机械纤维和化学纤维。机械纤维，利用机械方法磨解纤维原料所制成的纤维，分为白色磨木纤维和褐色磨木纤维。机械纤维具有生产过程较简单、成本低、得率高、污染小的特点，但杂质含量较高且储存稳定性差。化学纤维是以化学方法离解植物纤维而得的纤维。根据所用方法可分为碱法、硫酸盐法、亚硫酸盐法、中性亚硫酸盐法和氯化法等。目前我国沥青混合料用絮状纤维素纤维中同时含有机械纤维和化学纤维。

纤维素纤维性能参数及试验方法

纤维尺寸

纤维的长度和直径是纤维的重要形态参数，对沥青混合料性能影响较大。纤维增强效果主要取决于单位质量的有效纤维根数，直径越小长度越长的纤维增强效果越明显。在相同的增强效果下，直径越小，纤维掺量越低能很好的降低工程造价。但是直径过小，纤维容易断裂。纤维长度越长，沥青混合料的抗拉、抗裂、抗折及抗高温性能越明显，但长度过长会增加纤维絮聚的危险，从而降低施工拌和的均匀性，影响施工性能;纤维长度过短则增粘作用有限，持油吸附能力变差。

(1)纤维长度:絮状纤维长度不均一且纤维难以分离，长度测定较为复杂。现有的标准中对纤维素纤维的长度测定方法规定不明确，本文通过试验确定采用显微镜图像分析法进行测定。将纤维用赫兹伯格(Herzberg)染色剂染色后用显微镜放大，把纤维图像信号转变为电子数码信号输送到计算机。用鼠标在显示屏上沿纤维走向将纤维细分成多段直线进行测量如图2，计算机自动跟踪所测纤维，描绘纤维骨架结构，自动计算纤维实际长度。絮状纤维中每根纤维的长度不同，须统计多条纤维的长度计算其平均值。絮状纤维素纤维最大长度不大于6mm。

(2)纤维直径纤维直径为μm级，絮状纤维需用图像分析法测量纤维直径。将横向切断后的纤维用树脂包裹后垂直放在载玻片上，放大400倍拍摄静态图片，用鼠标在显示屏上点击单根纤维纵侧面两个边缘点，计算机显示距离即为纤维直径。观察足够数量的纤维，计算算术平均值作为纤维的平均直径。粒状纤维直径一般分为4.5mm及6.5mm两种规格。

筛分

通过筛分试验确定纤维在某一筛孔的通过率来间接评价纤维尺寸的分布情况。对于公路工程用纤维筛分，参照美国NAPA、NCAT、AASHTO等标准采用冲气筛分析方法。此方法简便快捷，可用于纤维质量评定，也适用于纤维生产过程中质量控制。絮状纤维可采用德国Alpine气分筛200LS-N型，在2500~3500Pa、10min筛分条件下比较0.15mm通过率。粒状纤维可对原纤维及磨损后纤维分别测定4mm及2.8mm通过率。

灰分含量

纤维制造过程中通过喷涂耐高温涂覆材料来保护纤维与集料拌和时不被高温破坏。涂覆材料一般为高岭土、碳酸钙、硅藻土、提纯的膨胀土等无机材料。纤维经高温燃烧后剩下的部分称为灰分，即为耐高温的涂覆材料。涂覆材料过少，不足以保护纤维素纤维;涂覆材料过多，会妨碍纤维的持油效果。因此纤维经高温燃烧剩下的灰分，必须控制在(18±5)%的范围内。我国通常采用敞开式高温炉进行试验，人为进行温度控制，燃烧过程中不断搅拌使得纤维充分燃烧。但由于纤维中的灰分在高温条件下与氧气发生化学反应，使得敞开式高温炉测得的灰分含量大于封闭式灰分测试结果。为了确保试验结果的一致性，同时确保试验安全，降低劳动强度，本文推荐采用封闭式高温炉进行试验。对于粒状纤维素纤维，需要打散之后进行测定，有利于纤维的充分燃烧。

含水率

纤维暴露在空气中不断吸水，随着水分的增加，纤维容易结团。含水率高的纤维在混合料拌合过程中不易分散，影响混合料的均匀性，甚至引起沥青混合料析漏。同时还影响纤维与沥青、集料的粘附性。根据我国工程习惯，推荐采用105℃±5℃条件下烘干两小时测定纤维的含水率。纤维含水率要求不大于5%。

吸油率

吸油率可用来评价纤维吸收、吸附沥青的能力，也可间接反映纤维的尺寸分布。吸油率越大，纤维整体偏细;反之，纤维整体偏粗。目前我国公路工程中主要按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)进行絮状纤维素纤维吸油率测定。纤维的吸油率不宜过大，否则会吸收过多的自由沥青，不经济。因此推荐絮状纤维素纤维吸油率为纤维质量的5~8倍。

目前我国很多工程上对粒状纤维也参照絮状纤维进行评价，要求打散后吸油率不小于5，这是不合理的。由于粒状纤维表面及内部已经吸附部分沥青，降低了纤维进一步吸收煤油的能力，且粒状纤维的吸油率还受结合料类型及掺量的影响，即使打散后测定也并不准确。故粒状纤维素纤维测定其吸油率应对萃取结合料之后的絮状纤维进行测定。一般采用甲苯等溶剂加热至220℃高温萃取，不得将粒状纤维打散后萃取。其吸油率应按照纤维质量的4-7倍进行控制。粒状纤维由于其稳定的吸油率，摊铺碾压成型后的路面基本上呈黑亮色，而且整个过程路面颜色保持一致。

耐热性

耐热性用来评价纤维在拌和时受集料高温影响而物理性能降低的情况。纤维在拌合过程中受集料的切割变短，在高温下燃烧脆断，大大降低了纤维的效果。耐热性试验前应先将试样干燥处理(否则加热过程中水分的挥发也一并计入质量损失，结果计算不合理)，在210℃的条件下加热两小时，测试其质量损失[5]。通过测试大量典型纤维发现，几乎所有的纤维加热前后都有明显的颜色变化，体积变化肉眼很难观察。因此，可不将颜色、体积做为评价指标。纤维的耐热性应不大于6%。

纤维来源识别

目前国内市场纤维来源混乱，产品参差不齐，部分纤维素纤维中掺加破布纤维，耐热性较差，施工过程中容易燃烧。可通过显微镜法参考《纺织纤维鉴别试验方法第3部分显微镜法》(FZT01057.3-2007)进行纤维来源识别见图3。

针叶木纤维和阔叶木纤维的含量推荐值为大于80%，木材纤维的强度高，耐热性好，应用性能最佳。

松方密度

松方密度是纤维在蓬松状态下单位体积的质量。松方密度是纤维形态的重要参数。对于絮状纤维素纤维，可间接表征纤维的尺寸;对于粒状纤维素纤维，可表征纤维的制作工艺。松方密度可采用松方密度测定仪进行测定。絮状纤维松方密度应为(20-40)g/L;粒状纤维松方密度应为(400-600)g/L。

结语

纤维素纤维广泛用于沥青路面、混凝土、砂浆等领域，对防止开裂、提高保水性、提高生产的稳定性和施工的合宜性等有良好的效果。

絮状纤维较粒状纤维有较好的高温性能、低温性能及对沥青的吸附能力。粒状纤维素纤维表面的涂覆结构能保持较低的含水量，很好地克服了絮状纤维素纤维易吸水腐烂的缺点，制备工艺简单可行。粒状纤维密度均匀，添加投料精准，拌和分散更加均匀，具有较好的推广应用前景。实际工程应用可根据本文列举的性能参数选择纤维素纤维稳定剂并进行试验，为相关工程提供参考依据。