CN108751768A - 一种沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，包括以下步骤：将蔗渣原料净化、去杂，加入碱液浸泡，取出蔗渣，调节pH，得饱水蔗渣；向饱水蔗渣中加酶进行水解，取出，得饱和面干蔗渣；向饱和面干蔗渣中加入化学分散剂和膨胀珍珠岩微粉，拌合，得拌合物；向拌合物中加水，机械分散，得机械分散物；对机械分散物进行干燥、筛分，即得。采用该制备方法得到的蔗渣纤维长度为1～6mm，长径比为30～50，拉伸断裂强度为300～600MPa，蔗渣纤维的热稳定性和吸油性好；将该蔗渣纤维掺入到沥青混合料中，可明显提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳开裂性能，沥青混合料的原料成本低，低碳、环保。
Description
技术领域
本发明涉及公路工程沥青路面材料制备领域，具体涉及一种沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法。
背景技术
自本世纪以来，我国公路建设快速发展并取得了举世瞩目的成就，高速公路通车总里程突破13万公里，居世界首位，随后我国公路将进入建设与养护并举的稳定发展期。在所建的高等级路面结构中，以沥青路面居多，受气候环境及交通荷载的影响，沥青路面常出现早期破坏，其中以车辙和裂缝尤甚。而纤维以其加筋、桥接、高强、耐久等特点被广泛应用于土木工程材料中，纤维的掺入能有效地改善沥青混合料的稳定性和抗疲劳耐久性，大幅度减缓沥青路面的开裂、车辙和坑槽等病害的形成，延长路面的使用寿命，提高行车的安全性能和服务水平。
甘蔗是中国最大的制糖原料，而制糖工业每年产生约2000多万吨蔗渣，是最大的农业废弃物之一，也是一种重要的可再生生物质原料。蔗渣主要成分有纤维素(占蔗渣42％～50％)、半纤维素(占蔗渣25％～30％)、木质素(占蔗渣20％～25％)，是一种优良的植物纤维原料。蔗渣纤维具有资源丰富、价格低廉、高比强度、优良的热稳定性及亲油吸附等特点，目前被广泛应用于生物发电、饲料生产、栽培基质、功能性食品添加剂开发、化学物质合成、高性能吸附材料、纤维板制作等领域，尤其作为复合材料的增强体，具有显著的经济优势和广泛的应用前景。
目前，现有的蔗渣纤维的制备方法制得的蔗渣纤维易成团，且蔗渣纤维的长度及长径比、拉伸断裂强度等性能无法满足现有路面沥青混合料的性能要求，且未见有将蔗渣纤维应用到沥青混合料中的报道，蔗渣纤维应用于沥青混合料中，有利于提升沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性及抗疲劳性能，并降低现有纤维沥青混凝土路面的建设成本。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，采用该制备方法得到的蔗渣纤维长度为1～6mm，长径比为30～50，拉伸断裂强度为300～600MPa，蔗渣纤维的热稳定性和吸油性好；将该蔗渣纤维掺入到沥青混合料中，可明显提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳开裂性能，所得沥青混合料的原料成本低，低碳、环保，且可提高蔗渣利用的附加值。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
(一)一种沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将蔗渣原料净化、去杂，加入碱液浸泡，取出蔗渣，调节pH，得饱水蔗渣；向所述饱水蔗渣中加入酶进行水解，取出，得饱和面干蔗渣；
步骤2，向所述饱和面干蔗渣中加入化学分散剂和膨胀珍珠岩微粉，拌合，得拌合物；
步骤3，向所述拌合物中加水，机械分散，得机械分散物；
步骤4，对所述机械分散物进行干燥、筛分，即得蔗渣纤维。
优选的，步骤1中，所述碱液为质量浓度为3-8％氢氧化钠溶液。
优选的，步骤1中，所述浸泡的时间为20-24小时。
优选的，步骤1中，所述调节pH为调节pH至中性。
优选的，所述调节pH采用浓度为3-10％的盐酸调节。
优选的，步骤1中，所述酶为多聚半乳糖醛酸水解酶。
进一步优选的，所述酶的质量占所述饱水蔗渣质量的1-3％。
优选的，步骤1中，所述加酶进行水解的时间为4-6小时。
优选的，步骤2中，所述化学分散剂为亚甲基双萘磺酸钠。
优选的，所述化学分散剂占所述饱和面干蔗渣质量的1-3％。
优选的，所述膨胀珍珠岩微粉占所述饱和面干蔗渣质量的2-4％。
优选的，步骤2中，所述拌合的转速为60转/分，拌合的时间3-5分钟。
优选的，所述水的质量占所述饱和面干蔗渣质量的2-3倍。
优选的，步骤3中，所述机械分散的转速为3000-6000转/分钟，机械分散的时间为2-5分钟。
优选的，步骤4中，所述筛分的孔径为0.15mm。
(二)一种沥青混合料，包括基料和蔗渣纤维；所述基料包含石料、矿粉和沥青。
优选的，所述蔗渣纤维的纤维长度为1-6mm，蔗渣纤维的长径比为30-50。
优选的，所述蔗渣纤维的拉伸断裂强度为300-600MPa。
优选的，所述基料包含石料90.5％、矿粉4.2-5.5％和沥青4.0-5.3％；所述蔗渣纤维的质量占所述沥青混合料质量的0.10-0.30％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)采用本发明的沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法制得的蔗渣纤维的长度为1～6mm，长径比为30～50，拉伸断裂强度为300～600MPa，蔗渣纤维的热稳定性和吸油性好。
(2)采用浓度为3-8％氢氧化钠溶液处理蔗渣，处理后蔗渣纤维既得到了较好的分解细化，又获得了良好的表面特性，吸附沥青能力强，改善了沥青混合料的高温稳定性及低温抗裂性。
(3)多聚半乳糖醛酸水解酶可水解蔗渣纤维细胞壁中的果胶，使细胞壁结构解体，解聚纤维束的凝聚力，促进纤维束的打开；同时可以降低蔗渣纤维与沥青之间的表面张力和表面自由能。
(4)亚甲基双萘磺酸钠分散剂易溶于水，可以降低蔗渣与水之间的表面张力，提升纤维素扩散能力，改善蔗渣纤维的分散性能，起到化学分散作用。
(5)膨胀珍珠岩微粉易被蔗渣纤维吸附，起到表面隔离物理分散功效，避免机械劈分时，蔗渣纤维缠结成团。
(6)本发明所得的沥青混合料具有较高的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳开裂性能，其原料成本低，低碳、环保，且可提高蔗渣利用的附加值。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为蔗渣的原始状态图；
图2为本发明实施例1所得的蔗渣纤维的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
实施例1
(一)一种沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，常温下，将蔗渣原料净化、去杂，采用5％氢氧化钠溶液浸泡22小时，取出蔗渣，以5％稀盐酸调节pH至7，至蔗渣表面饱水状态，掺入占饱水状态蔗渣总质量2％的多聚半乳糖醛酸水解酶进行表面活化处理4小时，捞出至蔗渣饱和面干状态，得干蔗渣。
步骤2，向饱和面干蔗渣中加入分别占饱和面干蔗渣质量的2％的亚甲基双萘磺酸钠分散剂和3％膨胀珍珠岩微粉，在转速为60转/分条件下拌合4min，得拌合物。
步骤3，向拌合物中加入占饱和面干蔗渣质量的2.5倍水，选用刀片式破碎高速分散机，刀片旋转速度为4000转/分钟，在室温下机械分散4min。
步骤4，对机械分散物进行干燥，过0.15mm方孔筛筛分，即得。
(二)一种沥青混合料，包含99.90％基料和0.10％的上述制得的蔗渣纤维；所述基料包含石料90.5％、矿粉5％和沥青4.5％。依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)，石料质量比为0-5mm:5-10mm：10-15mm＝42:32:26。
实施例2
(一)一种沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，常温下，将蔗渣原料净化、去杂，采用5％氢氧化钠溶液浸泡22小时，取出蔗渣，以5％稀盐酸调节至pH为7，至蔗渣表面饱水状态，掺入占饱水状态蔗渣总质量2％的多聚半乳糖醛酸水解酶进行表面活化处理4小时，捞出至饱和面干状态，得干蔗渣。
步骤2，向饱和面干蔗渣中加入分别占饱和面干蔗渣质量的2％的亚甲基双萘磺酸钠分散剂和3％膨胀珍珠岩微粉，在转速为60转/分条件下拌合4min，得拌合物。
步骤3，向拌合物中加入占饱和面干蔗渣质量的2.5倍水，选用刀片式破碎高速分散机，刀片旋转速度为4000转/分钟，在室温下机械分散4min。
步骤4，对机械分散物进行干燥，过0.15mm方孔筛筛分，即得。
(二)一种沥青混合料，包含99.85％基料和0.15％的上述制得的蔗渣纤维；所述基料包含石料90.5％、矿粉4.8％和沥青4.7％。依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)，石料质量比为0-5mm:5-10mm：10-15mm＝42:32:26。
实施例3
步骤1，常温下，将蔗渣原料净化、去杂，采用5％氢氧化钠溶液浸泡22小时，取出蔗渣，以5％稀盐酸调节至pH为7，至蔗渣表面饱水状态，掺入占饱水状态蔗渣总质量2％的多聚半乳糖醛酸水解酶进行表面活化处理4小时，捞出至饱和面干状态，得干蔗渣。
步骤2，向饱和面干蔗渣中加入分别占饱和面干蔗渣质量的2％的亚甲基双萘磺酸钠分散剂和3％膨胀珍珠岩微粉，在转速为60转/分条件下拌合4min，得拌合物。
步骤3，向拌合物中加入占饱和面干蔗渣质量的2.5倍水，选用刀片式破碎高速分散机，刀片旋转速度为4000转/分钟，在室温下机械分散4min。
步骤4，对机械分散物进行干燥，过0.15mm方孔筛筛分，即得。
(二)一种沥青混合料，包含99.80％基料和0.20％的上述制得的蔗渣纤维；所述基料包含石料90.5％、矿粉4.6％和沥青4.9％。依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)，石料质量比为0-5mm:5-10mm：10-15mm＝42:32:26。
实施例4
步骤1，常温下，将蔗渣原料净化、去杂，采用3％氢氧化钠溶液浸泡22小时，取出蔗渣，以3％稀盐酸调节pH至7，至蔗渣表面饱水状态，掺入占饱水状态蔗渣总质量3％的多聚半乳糖醛酸水解酶进行表面活化处理5小时，捞出至饱和面干状态，得干蔗渣。
步骤2，向饱和面干蔗渣中加入分别占饱和面干蔗渣质量的1％的亚甲基双萘磺酸钠分散剂和2％膨胀珍珠岩微粉，在转速为60转/分条件下拌合4min，得拌合物。
步骤3，向拌合物中加入占饱和面干蔗渣质量的2.5倍水，选用刀片式破碎高速分散机，刀片旋转速度为3000转/分钟，在室温下机械分散4min。
步骤4，对机械分散物进行干燥，过0.15mm方孔筛筛分，即得。
(二)一种沥青混合料，包含99.75％基料和0.25％的上述制得的蔗渣纤维；所述基料包含石料90.5％、矿粉4.4％和沥青5.1％。依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)，石料质量比为0-5mm:5-10mm：10-15mm＝42:32:26。
实施例5
步骤1，常温下，将蔗渣原料净化、去杂，采用8％氢氧化钠溶液浸泡22小时，取出蔗渣，以8％稀盐酸调节pH至7，至蔗渣表面饱水状态，掺入占饱水状态蔗渣总质量1％的多聚半乳糖醛酸水解酶进行表面活化处理5小时，捞出至饱和面干状态，得干蔗渣。
步骤2，向饱和面干蔗渣中加入分别占饱和面干蔗渣质量的3％的亚甲基双萘磺酸钠分散剂和4％膨胀珍珠岩微粉，在转速为60转/分条件下拌合4min，得拌合物。
步骤3，向拌合物中加入占饱和面干蔗渣质量的2.5倍水，选用刀片式破碎高速分散机，刀片旋转速度为6000转/分钟，在室温下机械分散4min。
步骤4，对机械分散物进行干燥，过0.15mm方孔筛筛分，即得。
(二)一种沥青混合料，包含99.70％基料和0.30％的上述制得的蔗渣纤维；所述基料包含石料90.5％、矿粉4.2％和沥青5.3％。依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)，石料质量比为0-5mm:5-10mm：10-15mm＝42:32:26。
对比例1
一种沥青混合料，包括以下原料：石料90.5％、矿粉4.7％和沥青4.8％。依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)，石料质量比为0-5mm:5-10mm：10-15mm＝42:32:26。
对比例2
一种沥青混合料，包括以下原料：99.80％基料和0.20％木质素纤维，所述基料包含石料90.5％、矿粉4.6％、沥青4.9％。依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)，石料质量比为0-5mm:5-10mm：10-15mm＝42:32:26。
以上实施例中，饱和面干蔗渣为表面无水样，蔗渣材质内部为饱水状态。膨胀珍珠岩微粉为膨胀珍珠岩材质，粒度范围为0.015mm-0.075mm。搅拌机为常规物料拌合设备，搅拌容积为8-10L。沥青混合料在拌合锅中拌合均匀即可得。图1为蔗渣的原始状态图；其中，原始蔗渣为片状或针状物，长度为1-5cm，宽度或直径为1-5mm，含水率≤1.0％。图2为本发明实施例1所得的蔗渣纤维的结构示意图。
随着蔗渣纤维用氢氧化钠溶液处理后，蔗渣纤维的半木质素以及杂质被降解，使蔗渣纤维更加细化，并使纤维的表面愈加粗糙，由此改善了纤维与沥青的界面性质，从而提高蔗渣纤维的吸附性能。
由于甘蔗植物细胞的细胞壁主要成分是纤维素和果胶，多聚半乳糖醛酸水解酶本质上是一种果胶酶，果胶酶水解蔗渣纤维细胞壁中的果胶，使细胞壁结构解体，解聚纤维束的凝聚力，促进纤维束的打开。多聚半乳糖醛酸水解酶作为表面活性剂，可以降低蔗渣纤维与沥青之间的表面张力和表面自由能。由于沥青中的主要化学活性物质为沥青酸，如酸性树脂。沥青中的酸性活性成分易与蔗渣纤维发生化学反应，形成以化学键结合的界面层，增强吸附功能。
亚甲基双萘磺酸钠分散剂为阴离子表面活性剂，微黄色粉末，易溶于水，可以降低蔗渣与水之间的表面张力，提升纤维素的扩散能力，改善蔗渣纤维的分散性能，起到化学分散作用。
膨胀珍珠岩粉末为吸水性酸性玻璃质火山熔岩，易被蔗渣纤维吸附，起到表面隔离物理分散功效，避免机械劈分时，蔗渣纤维缠结成团。
依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)、《沥青路面用木质素纤维》(JT/T533-2004)对实施例1所得的蔗渣纤维的性能进行测试，试验结果如表1所示。
表1蔗渣纤维的性能试验结果
由表1可知，本发明所得的蔗渣纤维符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》和JT/T533-2004《沥青路面用木质素纤维》要求，蔗渣纤维的长径比为30～50，纤维长度为1～6mm，是富含纤维素、木质素的植物纤维。
对实施例1-5所得的沥青混合料和对比例1-2所得的沥青混合料的动稳定度和低温弯曲破坏应变进行试验，动稳定度和低温弯曲破坏应变的试验方法和标准分别参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20-2011》和《公路沥青路面施工技术规范JTGF40-2004》，试验结果如表2所示。
表2
由表2可知，实施例1-5的动稳定度和低温弯曲破坏应变均高于对比例1的动稳定度和低温弯曲破坏应，表明本发明所得的掺有沥青路面增强用蔗渣纤维的沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性明显高于对比例1所得的不含有蔗渣纤维的沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性。实施例1-5的动稳定度和低温弯曲破坏应变依次增大，表明随着沥青混合料中蔗渣纤维和沥青用量的增加，沥青混合料的动稳定度与低温弯曲破坏应变均呈增长趋势。且从实施例4开始，沥青混合料的动稳定度与低温弯曲破坏应变增长趋势缓慢，综合考虑沥青混合料的性能提升状况和经济性，选择掺量为0.20％蔗渣纤维作为沥青混合料的最佳纤维掺量，同时，实施例3与对比例2相比较，两者动稳定度和低温弯曲破坏应变值基本接近，表明蔗渣纤维沥青混合料与木质素纤维沥青混合料高低温性能相一致；但蔗渣纤维的原料蔗渣来源广泛，存量大，成本低，经济环保，采用蔗渣纤维得到的沥青混合料比木质素得到的沥青混合料的成本更低，更加经济环保。
在本发明中，干蔗渣为制糖后的残渣，其成分与木材相似，将蔗渣通过适度的碱液处理和表面活性剂浸泡等预处理工序，采用合理的机械劈分技术，可制备优质的沥青路面用蔗渣纤维，将其适量掺入沥青混合料中，能有效地提高沥青路面的高温抗车辙、低温抗开裂及抗疲劳破坏性能，延长沥青路面的使用寿命。
与不可逆有机纤维和从木材中提炼的木质素纤维相比，蔗渣纤维将是一种全新的绿色、生态、环境友好型工程材料。此外，蔗渣来源广泛，存量大，制备的蔗渣纤维应用于高等级沥青路面中，不仅低碳、环保，也降低了现有沥青路面用纤维的制备成本，解决蔗渣环境污染和资源浪费的难题，而且有助于延伸甘蔗产业和蔗渣利用范围，促使蔗渣利用的附加值大大提高。
在本发明中，蔗渣纤维掺加到沥青混合料中，可明显提升其高温稳定性和低温抗裂性。蔗渣纤维作为一种增强材料，自身的弹性模量较大，抗拉强度较好。沥青混合料通过沥青将各种粒径的粗集料和细集料粘结在一起，在荷载作用下，一方面，沥青混合料集粘—弹—塑—性变形与一体，当蔗渣纤维加入到沥青混合料中，蔗渣纤维起着桥接沥青混合料中的各个粒径的集料，提高了沥青混合料的劲度模量和韧性，增强了沥青的胶结作用。另一方面，纤维在混合料中呈无序随机分布，与吸附的沥青构成了复杂多样的空间结构，增大了复合材料的摩擦角，提升了沥青混合料的抗形变能力。
在本发明中，蔗渣纤维掺加到沥青混合料中，可明显提升其抗疲劳开裂性能。材料的疲劳破坏一般先从某个结构部分产生的微小裂缝开始的，沥青路面也不例外。在长期的交通荷载、温度的冷热变化等不利因素的作用下，沥青路面结构中某个部分出现微小裂缝，受荷载的持续作用，在裂缝尖端出现应力集中现象，裂缝也逐步扩展，当尺寸到达临界值时，裂缝的发展方式转变成了失稳扩展的形式直至整个结构遭到破坏。纤维复合材料中的短纤维所形成的网络结构正好能够阻止裂缝的开展，换而言之，路面结构中的裂缝要继续扩展，必须要先打破纤维构成的网络结构，这需要吸收更多的能量。这样纤维起到了增加结构体的韧性、抵抗疲劳的能力。同样，纤维与其吸附的沥青构成的胶结层同样使混合料在低温条件下，阻止裂缝的开展。
综上所述，本发明所得的沥青混合料具有以下优势：(1)蔗渣纤维与沥青之间具有良好的吸附、相容及粘结性；(2)蔗渣纤维抗腐蚀性、耐老化性能优良，能显著改善沥青混合料的高低温性能及耐久性；(3)蔗渣来源广泛，其制备成本仅为木质素纤维的60％，低碳、环保，可提高蔗渣利用的附加值。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将蔗渣原料净化、去杂，加入碱液浸泡，取出蔗渣，调节pH，得饱水蔗渣；向所述饱水蔗渣中加入酶进行水解，取出，得饱和面干蔗渣；
步骤2，向所述饱和面干蔗渣中加入化学分散剂和膨胀珍珠岩微粉，拌合，得拌合物；
步骤3，向所述拌合物中加水，机械分散，得机械分散物；
步骤4，对所述机械分散物进行干燥、筛分，即得蔗渣纤维。
2.根据权利要求1所述的沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述酶为多聚半乳糖醛酸水解酶。
3.根据权利要求1所述的沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述化学分散剂为亚甲基双萘磺酸钠。
4.根据权利要求1所述的沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述碱液为质量浓度为3-8％氢氧化钠溶液。
5.根据权利要求1所述的沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述机械分散的转速为3000-6000转/分钟，机械分散的时间为2-5分钟。
6.根据权利要求1所述的沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述筛分的孔径为0.15mm。
7.一种沥青混合料，其特征在于，包括基料和权利要求1-6任一项所述的蔗渣纤维；所述基料包含石料、矿粉和沥青。
8.根据权利要求7所述的沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，其特征在于，所述蔗渣纤维的纤维长度为1-6mm，蔗渣纤维的长径比为30-50。
9.根据权利要求7所述的沥青路面增强用蔗渣纤维的制备方法，其特征在于，所述蔗渣纤维的拉伸断裂强度为300-600MPa。
10.根据权利要求7所述的沥青混合料，其特征在于，所述基料包含石料90.5％、矿粉4.2-5.5％和沥青4.0-5.3％；所述蔗渣纤维的质量占所述沥青混合料质量的0.10-0.30％。
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