CN109704649B - 一种改性竹纤维沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性竹纤维沥青混合料，包括以下原料：改性竹纤维和沥青混合料。本发明还公开了一种改性竹纤维沥青混合料的制备方法，该方法通过将酯化处理后的竹纤维加入到沥青混合料中拌合均匀，使其高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和耐久性均得到显著提升，且原料廉价易得、成本低、环保无毒、制备方法简单，具有显著的社会经济效益和推广应用价值。

Description

一种改性竹纤维沥青混合料及其制备方法

技术领域

本发明属于道路工程材料技术领域，尤其是涉及一种改性竹纤维沥青混合料及其制备方法。

背景技术

随着我国经济的腾飞，运输车辆的大型化、超载现象日渐增多。为了满足重载交通对沥青路面路用性能日益增长的要求，在沥青混合料中掺加纤维以改善其路用性能得到了广泛认可。沥青混合料主要由粗、细集料和矿粉组成，纤维在被掺入沥青混合料后，因其可以起到加筋、吸附、分散、稳定、增黏的作用，进而有效改善沥青混合料的各方面性能而被广泛应用。当前，广泛应用于沥青混合料的纤维有木质素纤维、矿物纤维、聚合物化学纤维三大类，而木质素纤维因其价格优势被应用得最多。木质素纤维具有比表面积大、吸油性能好的优点，但需要消耗大量的森林资源，因此，开发价格低廉、生态环保的草本植物纤维及应用技术对促进我国沥青混合料路面铺装普及、提高工程性能、降低工程造价、保护生态环境具有十分重要的意义。

我国是一个竹类资源十分丰富的国家，竹子种类和竹林面积约占世界的1/4，产量约占世界的 1/3，居世界之首。竹材生长迅速、轮伐期短、成材早、产量高，与木材一样，都是天然生长的有机体，同属非均质和各向异性材料，但其具有强度高、硬度大、韧性好、耐磨的优良特性。近年来，竹质砧板、重竹地板、竹质集装箱底板、炭化竹地板、竹炭等产品开发项目已初具规模，但大量竹加工废料的处理与规模化应用问题尚未解决。将竹纤维应用于沥青路面中不仅可以提高竹材产品附加值，还可以扩大竹产品用途，为竹材利用开拓更为广阔的市场。

对采用木本和草本植物纤维制备沥青混合料已有相关文献和专利，中国专利CN104446159A提供了一种竹纤维改性沥青混合料的制备方法，其纤维掺量为沥青混合料质量的0.1%-0.4%，在拌制混合料前纤维需在质量浓度0.5%-1.5%的碱溶液中预处理0.5h-1.5h。中国专利CN108314357A提供了一种椰子纤维沥青混合料及其制备方法，椰子纤维可应用于AC或SMA型沥青混合料，其典型掺量分别为0.2%-0.3%和0.3%-0.5%，且在拌制沥青混合料前也需在浓度为1.0%-1.5%的NaOH溶液中浸泡。碱溶液处理植物纤维可提高其拉伸强度和粘结强度，但与酯化处理植物纤维相比，其与沥青混合料间的界面相容性和分散均匀性都相差很多，因而影响沥青混合料的耐久性，其使用范围（特别是在气候环境恶劣地区）受限。

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改性竹纤维沥青混合料及其制备方法。该方法通过将酯化处理后的竹纤维加入到沥青混合料中拌合均匀，使其高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和耐久性均得到显著提升，且原料廉价易得、成本低、环保无毒、制备方法简单。

为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种改性竹纤维沥青混合料，包括以下原料：改性竹纤维和沥青混合料。

优选地，所述改性竹纤维为毛竹茎杆制成的改性短纤维絮状物，其长度为4-8mm，相对密度0.93-0.96，含水率＜4%，吸油率为纤维质量的8.5-10倍。

优选地，所述改性竹纤维采用苯甲酸作为改性剂。

优选地，所述沥青混合料为密级配沥青混凝土混合料（AC型）或沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA型）。

优选地，所述竹纤维的质量占所述AC混合料质量的0.2%-0.35%，所述AC混合料的油石比为5.0%-5.8%。

优选地，所述竹纤维的质量占所述SMA混合料质量的0.3%-0.5%，所述SMA混合料的油石比为5.5%-6.8%。

一种改性竹纤维沥青混合料制备的方法，包括以下步骤：

步骤1，将竹纤维置于苯甲酸溶液中浸泡处理100-140min，将处理后的竹纤维置于烘箱中2.5-3.5h使其充分进行改性反应，将改性反应后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

步骤2，将沥青混合料中的粗、细集料在烘箱中预热后移至拌和锅中预拌和30-60s，再将步骤1制得的改性竹纤维与预拌和后的集料混合后干拌80-100s得到沥青结合料；

步骤3，将步骤2制得的沥青结合料预热后加入到拌合锅中湿拌80-100s，然后加入预热后的矿粉拌和80-100s，制得改性竹纤维沥青混合料。

优选地，所述的竹纤维在改性之前是经过一次搓碾制得的。

优选地，所述步骤1中苯甲酸溶液的浓度为0.2%-0.4%；烘箱加热温度为110-120℃。

优选地，所述步骤2中粗、细集料预热温度为170-180℃，预热时长4-5h；拌和锅温度为170-180℃。

优选地，所述步骤3中，当沥青混合料为AC型时，沥青结合料和矿粉的预热温度为150-160℃；当沥青混合料为SMA型时，沥青结合料和矿粉的预热温度为170-180℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：（1）本发明采用苯甲酸作为改性剂与竹纤维发生酯化反应，然后将酯化处理后的竹纤维掺入至沥青混合料中对其改性，在提高竹纤维拉伸强度和粘结强度的同时可有效改善其与混合料间的界面相容性，进而提高竹纤维在混合料中的分散均匀性。同时，苯甲酸作为改性剂使竹纤维的疏水性显著增强，从而提高了其与沥青混合料间的浸润性，使纤维与混合料间的应力传递明显改善，这些有益效果可表现为沥青混合料力学强度和弹性模量的显著提高。另外，酯化处理可提高改性纤维沥青混合料的热稳定性和韧性，进而显著提高改性纤维沥青混合料的综合性能和耐久性，延长道路的使用寿命；

（2）本发明中所使用的原材料竹纤维是一种无公害、绿色环保的草本纤维，将其应用于道路交通工程可有效拓宽现行规范的取材范围（现行规范JT/T533-2004规定道路用木质纤维仅限于针叶木材），在减少森林资源消耗的同时可促进廉价碳汇资源的高值清洁利用，对改善公路沥青路面使用品质及耐久性具有重要意义，且开辟了竹纤维的应用新途径；

（3）本发明采用的制备方法简单易操作，采用的原料廉价易得，成本低，且环保无毒，制得的改性竹纤维沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、力学性能、水稳定性和长期老化性能有明显提升，具有显著的社会经济效益和推广应用价值。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和表1、表2对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。

实施例1：

一种改性竹纤维沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将竹纤维置于浓度为0.2%的苯甲酸溶液中浸泡处理100min，将处理后的竹纤维置于110℃的烘箱中3h使其充分进行改性反应，将改性反应后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

步骤2，将AC型沥青混合料中的粗、细集料在170℃的烘箱中预热4h后移至170℃的拌和锅中预拌和40s，再将步骤1制得的改性竹纤维与预拌和后的集料混合后干拌80s得到沥青结合料；

步骤3，将步骤2制得的沥青结合料预热至150℃后加入到拌合锅中湿拌80s，然后加入预热至150℃的矿粉拌和80s，制得AC型改性竹纤维沥青混合料。

在实施例1中，制得的改性竹纤维长度为4-8mm，相对密度0.93-0.96，含水率＜4%，吸油率为纤维质量的8.5-10倍；改性竹纤维的掺量为AC型沥青混合料质量的0.25%，沥青混合料的油石比为5.2%。

实施例2：

步骤1，将竹纤维置于浓度为0.3%的苯甲酸溶液中浸泡处理120min，将处理后的竹纤维置于115℃的烘箱中2.5h使其充分进行改性反应，将改性反应后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

步骤2，将AC型沥青混合料中的粗、细集料在175℃的烘箱中预热4.5h后移至175℃的拌和锅中预拌和50s，再将步骤1制得的改性竹纤维与预拌和后的集料混合后干拌80s得到沥青结合料；

步骤3，将步骤2制得的沥青结合料预热至155℃后加入到拌合锅中湿拌80s，然后加入预热至155℃的矿粉拌和80s，制得AC型改性竹纤维沥青混合料。

在实施例2中，制得的改性竹纤维长度为4-8mm，相对密度0.93-0.96，含水率＜4%，吸油率为纤维质量的8.5-10倍；改性竹纤维的掺量为AC型沥青混合料质量的0.2%，沥青混合料的油石比为5.0%。

实施例3：

步骤1，将竹纤维置于浓度为0.4%的苯甲酸溶液中浸泡处理140min，将处理后的竹纤维置于120℃的烘箱中3.5h使其充分进行改性反应，将改性反应后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

步骤2，将AC型沥青混合料中的粗、细集料在170℃的烘箱中预热5h后移至170℃的拌和锅中预拌和60s，再将步骤1制得的改性竹纤维与预拌和后的集料混合后干拌100s得到沥青结合料；

步骤3，将步骤2制得的沥青结合料预热至160℃后加入到拌合锅中湿拌100s，然后加入预热至160℃的矿粉拌和100s，制得AC型改性竹纤维沥青混合料。

在实施例3中，制得的改性竹纤维长度为4-8mm，相对密度0.93-0.96，含水率＜4%，吸油率为纤维质量的8.5-10倍；改性竹纤维的掺量为AC型沥青混合料质量的0.35%，沥青混合料的油石比为5.8%。

实施例4：

步骤1，将竹纤维置于浓度为0.2%的苯甲酸溶液中浸泡处理120min，将处理后的竹纤维置于110℃的烘箱中3h使其充分进行改性反应，将改性反应后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

步骤2，将SMA型沥青混合料中的粗、细集料在170℃的烘箱中预热4h后移至170℃的拌和锅中预拌和30s，再将步骤1制得的改性竹纤维与预拌和后的集料混合后干拌80s得到沥青结合料；

步骤3，将步骤2制得的沥青结合料预热至170℃后加入到拌合锅中湿拌80s，然后加入预热至170℃的矿粉拌和80s，制得SMA型改性竹纤维沥青混合料。

在实施例4中，制得的改性竹纤维长度为4-8mm，相对密度0.93-0.96，含水率＜4%，吸油率为纤维质量的8.5-10倍；改性竹纤维的掺量为SMA型沥青混合料质量的0.35%，沥青混合料的油石比为5.8%。

实施例5：

步骤1，将竹纤维置于浓度为0.3%的苯甲酸溶液中浸泡处理120min，将处理后的竹纤维置于120℃的烘箱中2.5h使其充分进行改性反应，将改性反应后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

步骤2，将SMA型沥青混合料中的粗、细集料在175℃的烘箱中预热4.5h后移至175℃的拌和锅中预拌和40s，再将步骤1制得的改性竹纤维与预拌和后的集料混合后干拌90s得到沥青结合料；

步骤3，将步骤2制得的沥青结合料预热至175℃后加入到拌合锅中湿拌90s，然后加入预热至175℃的矿粉拌和90s，制得SMA型改性竹纤维沥青混合料。

在实施例5中，制得的改性竹纤维长度为4-8mm，相对密度0.93-0.96，含水率＜4%，吸油率为纤维质量的8.5-10倍；改性竹纤维的掺量为SMA型沥青混合料质量的0.3%，沥青混合料的油石比为5.5%。

实施例6：

步骤1，将竹纤维置于浓度为0.4%的苯甲酸溶液中浸泡处理130min，将处理后的竹纤维置于120℃的烘箱中3h使其充分进行改性反应，将改性反应后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

步骤2，将SMA型沥青混合料中的粗、细集料在180℃的烘箱中预热5h后移至180℃的拌和锅中预拌和50s，再将步骤1制得的改性竹纤维与预拌和后的集料混合后干拌100s得到沥青结合料；

步骤3，将步骤2制得的沥青结合料预热至180℃后加入到拌合锅中湿拌100s，然后加入预热至180℃的矿粉拌和100s，制得SMA型改性竹纤维沥青混合料。

在实施例6中，制得的改性竹纤维长度为4-8mm，相对密度0.93-0.96，含水率＜4%，吸油率为纤维质量的8.5-10倍；改性竹纤维的掺量为SMA型沥青混合料质量的0.5%，沥青混合料的油石比为6.8%。

对比例1：

一种基质沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

将粗、细集料在160℃烘箱中预热4h后加入至160℃的拌和锅中预拌和40s，将预热至150℃的沥青结合料加入到拌和锅中湿拌80s，加入预热至150℃的矿粉拌和80s，制得AC型基质沥青混合料。

对比例1中，沥青混合料的油石比为5.0%。

对比例2：

一种竹纤维沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将竹纤维置于浓度为1%的NaOH溶液中浸泡1h，将碱处理后的竹纤维置于110℃烘箱中烘干至恒重，将改性后的竹纤维二次搓碾制得絮状短纤维，备用；

步骤2，将粗、细集料在160℃烘箱中预热4h后加入至160℃的拌和锅中预拌和50s，将改性竹纤维与集料混合后干拌80s；

步骤3，将预热至170℃的沥青结合料加入到拌和锅中湿拌80s，加入预热至170℃的矿粉拌和80s，制得AC型竹纤维沥青混合料。

对比例2中，竹纤维的掺量为AC型沥青混合料质量的0.3%，沥青混合料的油石比为5.4%。

以上实施例和对比例中，AC型沥青混合料为AC-13混合料，SMA型沥青混合料为SMA-13混合料，其矿料级配如表1所示。

表1

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）分别测试各实施例与对比例沥青混合料的路用性能，测试结果如表2所示。

表2

由表2结果可知，实施例1-6的各项性能指标均满足规范《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的相关要求。与对比例1和2相比，实施例1-3的AC型沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、力学性能、水稳定性和长期老化性能都有明显提升，说明本发明制备的改性竹纤维沥青混合料路用性能，尤其是耐久性更为优良。同时，本发明制备的SMA型沥青混合料各性能指标均表现出优异的结果，表明其路用性能和使用寿命良好，具有显著的社会经济效益和推广应用价值。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和使用本发明。熟悉本领域的技术人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种改性竹纤维沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括以下原料：改性竹纤维和沥青混合料，包括以下步骤：

步骤1，将竹纤维置于苯甲酸溶液中浸泡处理100-140min，将处理后的竹纤维置于烘箱中2.5-3.5h使其充分进行改性反应，将改性反应后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用，所述改性竹纤维为毛竹茎杆制成的改性短纤维絮状物，其长度为4-8mm，相对密度0.93-0.96，含水率＜4%，吸油率为纤维质量的8.5-10倍；

步骤2，将沥青混合料中的粗、细集料在烘箱中预热后移至拌和锅中预拌和30-60s，再将步骤1制得的改性竹纤维与预拌和后的集料混合后干拌80-100s得到沥青结合料，所述沥青混合料为密级配沥青混凝土混合料或沥青玛蹄脂碎石混合料，所述竹纤维的质量占所述密级配沥青混凝土混合料质量的0.2%-0.35%，所述密级配沥青混凝土混合料的油石比为5.0%-5.8%，所述竹纤维的质量占所述沥青玛蹄脂碎石混合料质量的0.3%-0.5%，所述沥青玛蹄脂碎石混合料的油石比为5.5%-6.8%；

步骤3，将步骤2制得的沥青结合料预热后加入到拌合锅中湿拌80-100s，然后加入预热后的矿粉拌和80-100s，制得改性竹纤维沥青混合料。

2.根据权利要求1所述的一种改性竹纤维沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中苯甲酸溶液的浓度为0.2%-0.4%；烘箱加热温度为110-120℃。

3.根据权利要求1所述的一种改性竹纤维沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中粗、细集料预热温度为170-180℃，预热时长4-5h；拌和锅温度为170-180℃。

4.根据权利要求1所述的一种改性竹纤维沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，当沥青混合料为AC型时，沥青结合料和矿粉的预热温度为150-160℃；当沥青混合料为SMA型时，沥青结合料和矿粉的预热温度为170-180℃。