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瀝青混合料用纖維素纖維研究

文章出處:未知 人氣: 發表時間:2020-12-16 14:15:38
通常將長徑比大且有一定柔韌性和強度的纖細物質稱為纖維,其具有彈性模量大,塑性變形小,強度高等特點。纖維根據其生產條件可以分為天然纖維和化學纖維。天然纖維根據纖維來源可分為植物纖維、動物纖維及礦物纖維?;瘜W纖維可分為人造纖維、合成纖維和無機纖維。目前我國公路工程常用植物纖維,如針葉木纖維。動物纖維和天然礦物纖維很少應用。其中天然礦物纖維,主要是石棉纖維會損害施工人員的身體健康并造成環境污染,已靜止應用到公路工程當中。
纖維素纖維成分及作用機理
《公路瀝青路面施工技術規范》(JTGF40-2004)、《公路瀝青碼蹄脂碎石路面技術指南》(SHCF40-01-2002)、《瀝青路面用木質素纖維》(JT/T533-2004)將纖維定義為木質素纖維(plantfiber),屬于有機纖維,特指針葉木材纖維(coniferoustreefiber或coniferfiber)。在歐美、澳大利亞等國家稱為纖維素纖維(cellulosefi-bers),屬于植物纖維。根據《中國土木工程建筑百科辭典》(工程材料上)中:纖維素纖維為某些植物的桿與韌皮經加工后制得的纖維,通常以針葉樹、闊葉樹作原料,直徑為20~120μm,長度為0.5~5mm,抗拉強度為300~800MPa,彈性模量為10~30GPa。
 
植物纖維是由纖維素、半纖維素、木質素和其他少量雜質組成,由于植物纖維的主要化學成分是纖維素,故植物纖維可稱為纖維素纖維。一般木材纖維中,纖維素占40%~50%,還有10%~30%的半纖維素和20%~30%的木質素。纖維素纖維原材料豐富,價格低廉,是現階段纖維穩定劑的主流方向,應用較為廣泛。
纖維素纖維的類型和來源
纖維素纖維分類
根據造紙行業植物纖維分類,可將纖維素纖維分為以下6類:(1)針葉樹木材:如落葉松、紅松、馬尾松、云南松、樟子松等;(2)闊葉樹木材,如楊木、樺木、桉木等;(3)草類植物:如蘆葦、竹子、芒稈、麥草、稻草、龍須草、高粱桿、蔗渣等;(4)韌皮纖維類:如亞麻、黃麻、洋麻、檀樹皮、桑皮、棉稈皮等;(5)種毛纖維類:如棉花、棉短絨、棉破布;(6)廢紙纖維類:破殘紙、舊紙板等。
 
根據我國瀝青混合料的應用來看,可將纖維素纖維分為絮狀和粒狀兩類見圖1。粒狀纖維素纖維是采用瀝青或蠟做為造粒劑,由純絮狀纖維經物理作用制成的高質量高純度的纖維。在瀝青混合料拌和過程中纖維表面的瀝青涂層受熱易于融化,其中的纖維素纖維可以迅速分散在混合料中并吸附瀝青,達到穩定瀝青混合料的效果。主要應用在SMA、OGFC等開級配、間斷級配型瀝青混合料中,能起到持油、減少析漏等作用。我們通常將其稱為纖維穩定劑(fiberstabilizer)。其推薦最佳用量是瀝青混合料質量的0.3%~0.4%。但工程中的實際用量應考慮其它材料的選用、用量、施工工藝及天氣環境等因素,根據試驗結果再另行確定。
圖片
纖維素纖維來源
美國、加拿大、德國及法國等國家使用的纖維素纖維最常見來源于木材植物,也有一些來源于回收的報紙。在歐美國家特別是北美針葉木材資源非常豐富。而我國瀝青路面用纖維素纖維來源較為復雜,生產工藝也不盡相同。我國部分纖維素纖維來源為針葉木等木材,部分來源于廢報紙,部分甚至來源于破棉布,因此我國纖維素纖維質量差異較大。
 
針葉木漿纖維,原纖維長度為2.56~4.08mm,寬度為40.9~54.9μm,組織結構嚴密且雜細胞含量少?;瘜W漿料中的雜細胞多在洗滌時流失,纖維質量好,木素含量達到25%-35%,多戊糖含量低,纖維不易吸水潤漲。闊葉木纖維的長度約為1mm,寬度為8~16μm,組織結構更加緊密,雜細胞較多,木素含量較針葉木低,一般為20%~24%,多戊糖含量為21%-24%,易吸水潤漲。木材纖維的強度高、耐熱性好,其應用性能最佳,特別是針葉木材纖維被廣泛的應用到公路工程當中。而棉花等破布纖維,秸稈纖維等耐熱性較差,不宜應用到瀝青混合料中。但我國的針葉木材資源不足,完全采用原木材纖維不現實,也可采用以針葉木材或闊葉木材為主的回收報紙等廢紙材料。
纖維素纖維加工工藝
纖維素纖維按照加工工藝可分為機械纖維和化學纖維。機械纖維,利用機械方法磨解纖維原料所制成的纖維,分為白色磨木纖維和褐色磨木纖維。機械纖維具有生產過程較簡單、成本低、得率高、污染小的特點,但雜質含量較高且儲存穩定性差?;瘜W纖維是以化學方法離解植物纖維而得的纖維。根據所用方法可分為堿法、硫酸鹽法、亞硫酸鹽法、中性亞硫酸鹽法和氯化法等。目前我國瀝青混合料用絮狀纖維素纖維中同時含有機械纖維和化學纖維。
纖維素纖維性能參數及試驗方法
纖維尺寸
纖維的長度和直徑是纖維的重要形態參數,對瀝青混合料性能影響較大。纖維增強效果主要取決于單位質量的有效纖維根數,直徑越小長度越長的纖維增強效果越明顯。在相同的增強效果下,直徑越小,纖維摻量越低能很好的降低工程造價。但是直徑過小,纖維容易斷裂。纖維長度越長,瀝青混合料的抗拉、抗裂、抗折及抗高溫性能越明顯,但長度過長會增加纖維絮聚的危險,從而降低施工拌和的均勻性,影響施工性能;纖維長度過短則增粘作用有限,持油吸附能力變差。
 
(1)纖維長度:絮狀纖維長度不均一且纖維難以分離,長度測定較為復雜?,F有的標準中對纖維素纖維的長度測定方法規定不明確,本文通過試驗確定采用顯微鏡圖像分析法進行測定。將纖維用赫茲伯格(Herzberg)染色劑染色后用顯微鏡放大,把纖維圖像信號轉變為電子數碼信號輸送到計算機。用鼠標在顯示屏上沿纖維走向將纖維細分成多段直線進行測量如圖2,計算機自動跟蹤所測纖維,描繪纖維骨架結構,自動計算纖維實際長度。絮狀纖維中每根纖維的長度不同,須統計多條纖維的長度計算其平均值。絮狀纖維素纖維最大長度不大于6mm。
 
(2)纖維直徑纖維直徑為μm級,絮狀纖維需用圖像分析法測量纖維直徑。將橫向切斷后的纖維用樹脂包裹后垂直放在載玻片上,放大400倍拍攝靜態圖片,用鼠標在顯示屏上點擊單根纖維縱側面兩個邊緣點,計算機顯示距離即為纖維直徑。觀察足夠數量的纖維,計算算術平均值作為纖維的平均直徑。粒狀纖維直徑一般分為4.5mm及6.5mm兩種規格。
篩分
通過篩分試驗確定纖維在某一篩孔的通過率來間接評價纖維尺寸的分布情況。對于公路工程用纖維篩分,參照美國NAPA、NCAT、AASHTO等標準采用沖氣篩分析方法。此方法簡便快捷,可用于纖維質量評定,也適用于纖維生產過程中質量控制。絮狀纖維可采用德國Alpine氣分篩200LS-N型,在2500~3500Pa、10min篩分條件下比較0.15mm通過率。粒狀纖維可對原纖維及磨損后纖維分別測定4mm及2.8mm通過率。
灰分含量
纖維制造過程中通過噴涂耐高溫涂覆材料來保護纖維與集料拌和時不被高溫破壞。涂覆材料一般為高嶺土、碳酸鈣、硅藻土、提純的膨脹土等無機材料。纖維經高溫燃燒后剩下的部分稱為灰分,即為耐高溫的涂覆材料。涂覆材料過少,不足以保護纖維素纖維;涂覆材料過多,會妨礙纖維的持油效果。因此纖維經高溫燃燒剩下的灰分,必須控制在(18±5)%的范圍內。我國通常采用敞開式高溫爐進行試驗,人為進行溫度控制,燃燒過程中不斷攪拌使得纖維充分燃燒。但由于纖維中的灰分在高溫條件下與氧氣發生化學反應,使得敞開式高溫爐測得的灰分含量大于封閉式灰分測試結果。為了確保試驗結果的一致性,同時確保試驗安全,降低勞動強度,本文推薦采用封閉式高溫爐進行試驗。對于粒狀纖維素纖維,需要打散之后進行測定,有利于纖維的充分燃燒。
含水率
纖維暴露在空氣中不斷吸水,隨著水分的增加,纖維容易結團。含水率高的纖維在混合料拌合過程中不易分散,影響混合料的均勻性,甚至引起瀝青混合料析漏。同時還影響纖維與瀝青、集料的粘附性。根據我國工程習慣,推薦采用105℃±5℃條件下烘干兩小時測定纖維的含水率。纖維含水率要求不大于5%。
吸油率
吸油率可用來評價纖維吸收、吸附瀝青的能力,也可間接反映纖維的尺寸分布。吸油率越大,纖維整體偏細;反之,纖維整體偏粗。目前我國公路工程中主要按照《公路瀝青路面施工技術規范》(JTGF40-2004)進行絮狀纖維素纖維吸油率測定。纖維的吸油率不宜過大,否則會吸收過多的自由瀝青,不經濟。因此推薦絮狀纖維素纖維吸油率為纖維質量的5~8倍。
 
目前我國很多工程上對粒狀纖維也參照絮狀纖維進行評價,要求打散后吸油率不小于5,這是不合理的。由于粒狀纖維表面及內部已經吸附部分瀝青,降低了纖維進一步吸收煤油的能力,且粒狀纖維的吸油率還受結合料類型及摻量的影響,即使打散后測定也并不準確。故粒狀纖維素纖維測定其吸油率應對萃取結合料之后的絮狀纖維進行測定。一般采用甲苯等溶劑加熱至220℃高溫萃取,不得將粒狀纖維打散后萃取。其吸油率應按照纖維質量的4-7倍進行控制。粒狀纖維由于其穩定的吸油率,攤鋪碾壓成型后的路面基本上呈黑亮色,而且整個過程路面顏色保持一致。
耐熱性
耐熱性用來評價纖維在拌和時受集料高溫影響而物理性能降低的情況。纖維在拌合過程中受集料的切割變短,在高溫下燃燒脆斷,大大降低了纖維的效果。耐熱性試驗前應先將試樣干燥處理(否則加熱過程中水分的揮發也一并計入質量損失,結果計算不合理),在210℃的條件下加熱兩小時,測試其質量損失[5]。通過測試大量典型纖維發現,幾乎所有的纖維加熱前后都有明顯的顏色變化,體積變化肉眼很難觀察。因此,可不將顏色、體積做為評價指標。纖維的耐熱性應不大于6%。
纖維來源識別
目前國內市場纖維來源混亂,產品參差不齊,部分纖維素纖維中摻加破布纖維,耐熱性較差,施工過程中容易燃燒??赏ㄟ^顯微鏡法參考《紡織纖維鑒別試驗方法第3部分顯微鏡法》(FZT01057.3-2007)進行纖維來源識別見圖3。
 
針葉木纖維和闊葉木纖維的含量推薦值為大于80%,木材纖維的強度高,耐熱性好,應用性能最佳。
松方密度
松方密度是纖維在蓬松狀態下單位體積的質量。松方密度是纖維形態的重要參數。對于絮狀纖維素纖維,可間接表征纖維的尺寸;對于粒狀纖維素纖維,可表征纖維的制作工藝。松方密度可采用松方密度測定儀進行測定。絮狀纖維松方密度應為(20-40)g/L;粒狀纖維松方密度應為(400-600)g/L。
結語
纖維素纖維廣泛用于瀝青路面、混凝土、砂漿等領域,對防止開裂、提高保水性、提高生產的穩定性和施工的合宜性等有良好的效果。
 
絮狀纖維較粒狀纖維有較好的高溫性能、低溫性能及對瀝青的吸附能力。粒狀纖維素纖維表面的涂覆結構能保持較低的含水量,很好地克服了絮狀纖維素纖維易吸水腐爛的缺點,制備工藝簡單可行。粒狀纖維密度均勻,添加投料精準,拌和分散更加均勻,具有較好的推廣應用前景。實際工程應用可根據本文列舉的性能參數選擇纖維素纖維穩定劑并進行試驗,為相關工程提供參考依據。

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