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纤维素在沥青混合料中的作用

摘  要：介绍了纤维素的分类和其在沥青混合料中的主要作用，以及使用方法、质量指标和检测方法。最后介绍了木质素、合成聚合物、聚丙烯腈和聚酯等常用纤维素的质量指标与参考价格。在沥青混合料中添加纤维素后能大大提高沥青路面的路用性能，适宜在修筑优质沥青道路时采用。
    关键词：沥青路面  纤维素  强度  稳定性  耐久性

    随着我国公路交通的发展，交通运输量特别是重载车辆运输量的增加，在行车产生的疲劳荷载和冲击荷载作用下，沥青路面出现较为严重的破损现象。沥青路面混合料的性能及级配不同，路面的使用性能也有差别。近年来，在对提高沥青路面的耐久性深入研究后，发现在沥青混合料中添加纤维稳定剂，既可在生产、运输、摊铺和碾压过程中保证混合料的均匀性及稳定性，又是提高路面耐久性和稳定性的有效措施。由于国内外对纤维素的研究起步不久，各品牌的纤维素质量、价格相差颇大，设计、施工单位在选择时较难取舍；因此有必要对纤维素的性能、质量标准、检验方法以及其在沥青混合料中的作用作一介绍，为使用者提供决策依据。
    1 纤维素的分类及在沥青混合料中的主要作用
    1.1 纤维素的分类
    目前，应用在沥青工程中的纤维，按其化学成分，主要有木质素纤维、有机化学合成纤维和无机矿物纤维；按其产品形状，可分为絮状(纯纤维素)和颗粒状(纤维素通过添加部分沥青预制而成)。
    1.2 纤维素在沥青混合料中的主要作用
    根据工程实践和权威部门测定数据证实，在沥青混合料中添加0.3％的路用工程纤维，马歇尔稳定度明显提高；混合料的流值有所降低，使路面处于不易蠕动状态，结构的稳定性大大提高；劈裂强度增长幅度显著；在高温高湿度条件下，残留稳定度仍保持较高数值，从而阻止了沥青和胶浆的涌出。因此，路用工程纤维已被广泛应用于新建及修建沥青玛蹄脂碎石路面(SMA路面)、纤维加强型沥青路面，以及透水沥青混合料。其主要作用可归纳为：
    1)加筋作用，增强路面的抗低温开裂能力。在添加纤维素的混合料中，纤维与纤维间搭接成三维立体结构，犹如在灰泥中掺加草筋一样，起到加筋增强作用，有效地减少路面低温开裂。
    2)分散作用，提高路面的抗车辙能力。纤维素具有良好的分散性，SMA路面混合料在拌和时加入适量的纤维素后，沥青和矿粉就能均匀地分散在集料之间，避免结为胶团而使路面出现油斑。
    3)吸附作用，提高路面耐久性。纤维素对液体具有良好的吸附力，其吸油率可达自身质量的5倍以上。在混合料中能吸附沥青，使沥青的用量增加，集料表面的结构沥青膜增厚，从而提高路面的耐久性。
    4)粘附作用，提高路面抗水损害能力。纤维素能增加沥青和集料的粘附性，提高沥青混合料的黏度，加强集料间的粘结能力，从而增大路面与轮胎之间摩擦力，增加沥青混合料的抗疲劳强度，提高抗水损害的能力。
    5)稳定作用，改善路面高温稳定性。添加纤维素，可使沥青处于比较稳定的状态，尤其是炎热的夏季，纤维素内部的空隙吸附了部分受热膨胀的沥青，使沥青膜不致在高温下成为自由沥青而泛油。
    2 纤维素的使用方法及适用的交通状况
    2.1 使用方法
    1 kg包装的絮状路用纤维产品，使用时不需打开包装(聚乙烯包装在搅拌缸中会自行溶解)，直接投放在各种强制式拌和机的搅拌缸中搅拌，比不加纤维素的干拌时间增加5-15s，添加量为沥青混合料的0.3％-0.5％，最高拌和温度可达200℃，铺筑温度可达180℃。颗粒状的路用纤维产品一般为大袋包装，使用自动计量添加装置投放，需增加干拌时间10-20s，必须使用强制式拌和机搅拌，添加量为沥青混合料的0.3％-0.8％，拌和和施工温度比未添加纤维素时提高20~30℃。
    2.2 适合使用纤维素的交通状况
    对于单向驾驶或高速公路的重载交通、车速缓慢的重载交通、频繁刹车和加速的驾驶过程、要求较为安静及低噪声环境以及长时间经历极端高温或强烈阳光照射等情况，适合应用添加纤维素的沥青混合料。
    3 纤维素的质量指标及检测方法
    3.1 纤维素质量标准
    由于我国对纤维的产品质量研究甚少，目前尚无完整独立的纤维质量标准和完善的检测方法，因此，建议暂时参照国外SMA路面混合料设计中规定的产品标准和检测方法执行。絮状纤维质量标准见表1。

    3.2 检测方法
    3.2.1 纤维长度和组成分析
方法A：取5g试样，在75 kPa水压真空度条件下，采用200LS型冲气筛(Alpine Air Jet Sieve)进行筛分14min，称出筛上部分的纤维质量。
方法B：在密闭的小房间内，用普通筛(0.85、0425、0.25、0.18、0．15、0.106mm等标准筛孔)进行筛分(筛分时每个筛子需要用2把尼龙刷辅助)，测定通过各标准筛的纤维质量。
    3.2.2  灰分试验
    纤维的杂质含量，用高温燃烧后的残留灰分表示。取2-3g试样；在不少于2h的时间内加热到595-650℃，冷却后，称出残留物的质量。
    3.2.3 纤维溶液的pH值
    在100mL水中加入5g纤维，保持30min后测定。
    3.2.4 吸油试验
    取5g纤维浸入矿物油(可用煤油)中，5min后取出，将其放人1个安装在臂式颠击台试验仪(与土工液限试验的振动台差不多)上的小滤勺中。小滤勺由筛网做成，滤网的孔径为0．5mm。臂式颠击台作幅度为32mm的机械运动，运动频率为240次／min，持续颠击10 min，除去未为纤维所吸收的矿物油。然后，称出纤维及吸收的矿物油总质量，计算出被纤维所吸油的最大质量，以纤维自身质量的倍数计。
    3.2.5 含水率
    将纤维放人烘箱中干燥2h后，测定水分的损失量。
    3.2.6 纤维的相对密度
    纤维的相对密度是计算SMA混合料的最大理论密度时所必须的参数，一般由制造商提供，也可通过实测得到。
    4 几种常用纤维素的质量指标、价格及性能
    4.1 质量指标与价格
    表2列出了几种常用纤维素的质量指标与价格。目前，沥青工程应用较多的增强纤维，国内产品较少，多半是进口或采用进口技术生产的。

    4.2 性能分析
    表3是TIPCO SBS改性沥青AK-13A添加0.3％不同品种纤维素和未加纤维素的性能测试结果。

从表3中可以看出，添加不同品种纤维素的沥青混凝土路面材料，在强度、稳定性(高温、低温、潮 湿)、抗老化等方面均有所提高。

5 结语
纤维素已应用在65个国家和地区的高速公路、机场跑道以及最能体验产品性能的世界一级方程式跑道中。在我国部分省市高速公路及国际机场中也得到了应用。广州的广园东三期工程、夏港大道等系列市政道路以及东莞松山湖科技园的园区道路均要求添加纤维素。纤维素不仅被应用于SMA路面，而且在抗滑表层混合料(AK)密实式沥青混凝土AC混合料系列中也得到了推广应用。
    沥青混合料中添加纤维素后，能大大提高沥青路面的路用性能，增强路面耐久性，因此，在修筑优质沥青路时，建议选用添加纤维素的沥青混合料。由于市场上纤维素品牌较多，所以应严格按照有关质量标准和检测方法进行分析，选用性价比较高的纤维素；在同样的生产拌和设备和工艺环境下，推荐使用易搅拌、混合均匀的絮状纤维素。