CN113185191B

CN113185191B - 一种改性竹纤维增强沥青混合料及其制备方法

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Publication number: CN113185191B
Application number: CN202110505029.5A
Authority: CN
Inventors: 邱仁辉; 刘致辉; 孙琳莉; 赖春祥; 吴宇超; 於德美; 冯超; 刘文地; 付腾飞; 吴淑一
Original assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Current assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2041-05-10
Also published as: CN113185191A

Abstract

本发明属于纤维增强沥青混合料技术领域，具体涉及一种改性竹纤维增强沥青混合料及其制备方法，采用环氧大豆油丙烯酸酯(AESO)与二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）对竹纤维进行改性，而后在沥青混合料的制备过程中加入改性竹纤维进行增强。本发明制备的改性竹纤维增强沥青混合料环境友好，具有很好的力学性能、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性。

Description

一种改性竹纤维增强沥青混合料及其制备方法

技术领域

本发明属于纤维增强沥青混合料技术领域，具体涉及一种改性竹纤维增强沥青混合料及其制备方法。

背景技术

沥青混合料中添加适量的纤维可以有效提高沥青路面的耐久性。纤维添加到沥青混合料中，起到加筋、吸附、增粘的作用，能有效改善沥青混合料的高温稳定性和低温稳定性等路用性能。目前应用于沥青混合料中的纤维主要有聚合物纤维、无机矿物纤维、玻璃纤维及天然植物纤维几大类。聚合物纤维在生产过程中需要消耗大量不可再生的资源，与现在倡导的低碳减排理念不符。而且，聚合物纤维是一种高污染化工纤维，其使用后废弃会造成微塑料污染环境并对生物造成影响，同时聚合物纤维在高温下会部分降解和发生卷曲，削弱聚合物纤维在沥青混合料中的作用。无机矿物纤维具有抗压性、耐腐蚀性强等性能，然而价格较高，细小的矿物纤维也会吸附在动物或人呼吸器官的表面，如细小的石棉纤维是致癌物，会对生物造成负面影响。玻璃纤维表面光滑，在沥青混合料拌和过程中玻璃纤维容易发生结团、缠绕，其分散性差，而且玻璃纤维脆性大、易折断，生产成本高。随着绿色环保理念的推广，许多绿色、环保、可循环、可降解的植物纤维逐渐被应用于路面建设中。我国南方具有丰富的竹林资源，竹纤维有良好的韧性，比强度、比模量高，高温稳定性好，生产过程绿色环保，价格低。因此以竹纤维作为增强体添加到沥青混合料中，不仅是竹林资源综合利用的一个途径，也可以提升沥青混合料的各项路用性能。然而，天然竹纤维表面含有大量羟基，吸水能力强，与沥青基体相容性较差，竹纤维与沥青基体之间的界面粘结程度低，导致竹纤维与沥青基体之间的应力传递效果差，无法达到增强沥青混合料的良好效果。因此，本发明采用环氧大豆油丙烯酸酯(AESO)与二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）对竹纤维表面化学改性，在降低其吸水性的同时，在竹纤维表面接枝上能与沥青相容性更好的AESO，从而提升竹纤维与沥青基体之间的界面粘结力，提高沥青混合料各项性能，减少路面早期病害，延长路面使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于针对现有纤维沥青混合料的不足，提供一种改性竹纤维增强沥青混合料及其制备方法。改性竹纤维增强沥青混合料具有很好的力学性能、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及抗老化性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种改性竹纤维增强沥青混合料，所述沥青混合料由沥青、玄武岩集料、矿粉及改性竹纤维组成，沥青混合料级配类型采用AC-16，玄武岩集料按粒径分为10-20mm、5-10mm、0-3mm三档，各档玄武岩集料与矿粉按质量比例（10-20mm : 5-10mm : 0-3mm : 矿粉=31 :32 : 34 : 3）配成目标级配（级配曲线如图1所示）；沥青用量占所用集料（玄武岩集料+矿粉）质量的比例（油石比）为4.0%~5.5%；改性竹纤维用量为沥青混合料总质量的0.1% ~0.3%；改性竹纤维的改性剂为环氧大豆油丙烯酸酯以及二苯基甲烷二异氰酸酯。

改性竹纤维的制备过程包括以下步骤：

（1）将环氧大豆油丙烯酸酯和丙酮按重量比1 : 2混合成溶液，然后用喷壶均匀喷洒于竹纤维表面，放入烘箱中50℃下烘30min，使得丙酮完全挥发制得产物A；

（2）将二苯基甲烷二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡与产物A拌和均匀后，放入烘箱103℃干燥10min即得改性竹纤维。

进一步地，环氧大豆油丙烯酸酯的用量占竹纤维重量的10%~30%；二苯基甲烷二异氰酸酯的用量占竹纤维与环氧大豆油丙烯酸酯总重量的10%~30%；催化剂二月桂酸二丁基锡用量占二苯基甲烷二异氰酸酯重量的10%~30%。

进一步地，所述的竹纤维为绿竹、麻竹或毛竹材经机械法制备得到，竹纤维长度为10~30mm。

改性竹纤维增强沥青混合料的制备过程包括以下步骤：

（1）玄武岩集料按粒径分为10-20mm、5-10mm、0-3mm三档，各档玄武岩集料与矿粉按质量比例（10-20mm : 5-10mm : 0-3mm : 矿粉=31 : 32 : 34 : 3）用电子秤分别称取，各档玄武岩集料放置在同一托盘，矿粉另外放置在一托盘，然后将玄武岩集料与矿粉放入175℃烘箱预热4h；

（2）称取改性好的竹纤维，改性竹纤维用量为沥青混合料总质量的0.1% ~ 0.3%；

（3）将改性竹纤维与预热的各档玄武岩集料一同放入170℃拌和锅中拌和60 s；（4）往拌和锅中加入石油沥青（沥青用量占所用玄武岩集料和矿粉总质量的4.0%~5.5%），拌和60 s；

（5）往拌和锅中加入预热好的矿粉，拌和60 s；

（6）混合料拌和好后，立即取出装模，击实成型，自然放置冷却12h即可脱模。

本发明的有益效果在于：

1）与现有技术相比，本发明最主要的区别在于，竹纤维的改性方法不同，使用的改性剂不同。本发明采用AESO-MDI对竹纤维进行化学改性处理，其改性机理为: 如图1（AESO、MDI与竹纤维之间反应机理图）所示，AESO含有环氧基团，可与竹纤维的羟基反应；AESO的酯基也可与竹纤维羟基形成氢键结合。另一方面，MDI含有异氰酸酯基，其一端能与竹纤维表面的羟基反应，另一端也可与AESO的羟基反应。通过AESO、MDI与竹纤维羟基之间的反应，不仅有效减少了竹纤维表面的羟基数量，降低其吸湿性，而且通过MDI也可以有效偶联AESO与竹纤维，从而将AESO接枝于竹纤维表面，AESO与沥青极性相似，与沥青相容性好，因此表面接枝了AESO的竹纤维与沥青基体之间的界面粘结程度得到提升。

2）现有技术中公开了将竹纤维用碱液改性后用于增强沥青混合料，碱处理使得纤维表面的半纤维素被溶解，纤维表面变得更粗糙，纤维与基体界面之间的机械耦合作用增强，从而提升了纤维与基体的界面粘结。使用碱处理的方法对纤维进行处理，可以提高纤维与基体之间的界面粘结性，但对复合材料界面粘结强度的提升有限。本发明采用AESO-MDI对竹纤维进行化学改性处理，一方面减少了竹纤维表面的羟基数量，降低其吸湿性，另一方面在竹纤维表面接枝了一层与沥青相容性强的AESO，更重要的是竹纤维与AESO及MDI之间形成了共价键结合，显著增强了竹纤维与沥青基体之间的界面粘结力，从而使得改性竹纤维沥青混合料路用性能显著提升。

3）本发明采用AESO-MDI对竹纤维进行化学改性处理，从图2（竹纤维红外光谱图）可以看出，竹纤维改性处理后，纤维表面的羟基数量减少；与未改性竹纤维谱图对比，AESO-MDI改性竹纤维的谱图中在1233cm^-1和1525cm^-1处出现新的特征峰，其分别是C－N的伸缩振动与N－H的弯曲振动引起的，说明竹纤维上的－OH与MDI反应生成了氨基甲酸酯；在2856cm^-1和2927cm^-1分别出现－CH₃和－CH₂基团的对称和非对称伸缩振动特征峰，811cm^-1和1726cm^-1出现了C=C双键振动和酯基的特征峰，这些基团来源于AESO，说明竹纤维改性后接枝了AESO。从图3（竹纤维¹³C核磁共振谱图）可以看出，改性竹纤维谱图上甲基的特征信号（26.9ppm）强度显著增强，说明AESO成功接枝在竹纤维表面。

4）本发明制备的一种改性竹纤维增强沥青混合料是一类植物纤维增强的环境友好复合材料，其具有很好的力学性能、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及抗老化性能。

5）本发明中使用的竹纤维弹性模量高、抗拉强度高，其平均直径0.28mm，弹性模量平均值为4.68 GPa，抗拉强度为736 MPa；竹纤维具有良好的高温稳定性能，在沥青混合料高温拌和与摊铺过程中不会发生碳化；在沥青混合料中添加竹纤维制备复合材料，可以发挥竹纤维材料自身的优点。沥青作为基体，竹纤维作为增强体，在高温下拌合制备沥青混合料，开拓了竹纤维利用的新途径。

6）本发明采用可再生的竹纤维为原料增强沥青混合料，可利于减少石油基纤维产品的使用，有助于发展低碳经济，保护环境。而且，竹纤维资源丰富、价格便宜，制备竹纤维沥青混合料造价成本低。

附图说明

图1是AC-16级配曲线图；

图2是AESO、MDI与竹纤维之间反应机理图；

图3是竹纤维改性前后傅里叶红外光谱图；

图4是竹纤维改性前后¹³C核磁共振谱图；

图5是竹纤维沥青混合料马歇尔稳定度，图中矩形柱上下方横线表示数据均值的标准差，柱状图上方无相同字母的表示两组数据均值之间差异显著，否则差异不显著；Control是指未加竹纤维的沥青混合料，Unmodified是指加入未改性的竹纤维沥青混合料，Modified是指经过AESO-MDI改性的竹纤维沥青混合料，下同；

图6是竹纤维沥青混合料的间接拉伸性能；

图7是竹纤维沥青混合料的直接拉伸性能；

图8是竹纤维沥青混合料的高温稳定性能；

图9是竹纤维沥青混合料的低温弯曲性能。

具体实施方式

为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。

改性竹纤维增强沥青混合料复合材料的原料组成：竹纤维长度为10~30mm，用量为沥青混合料总质量的0.1%~0.3%，AESO用量占竹纤维重量的10~30%，MDI用量占竹纤维与AESO总重量的10%~30%，催化剂二月桂酸二丁基锡（DBT）用量占MDI重量的10%~30%，石油沥青与集料总重量的比值（油石比）为4.0%~5.5%，混合料为AC-16型级配。

改性竹纤维增强沥青混合料的具体制备步骤如下：

步骤一，称取干燥竹纤维与AESO树脂（AESO用量占竹纤维质量的10~30%），将AESO与丙酮按重量比1 : 2混合成溶液，用喷壶均匀喷洒于竹纤维表面，然后放入烘箱中50℃下烘30min，使得丙酮完全挥发制得产物A。将MDI（其质量占AESO与竹纤维总质量的10%~30%）和二月桂酸二丁基锡（DBT，其质量占MDI质量的10%~30%）喷洒产物A于竹纤维表面，拌和均匀后放入烘箱103℃干燥10min即得改性竹纤维。

步骤二，玄武岩集料按粒径分为10-20mm、5-10mm、0-3mm三档，各档玄武岩集料与矿粉按质量比例（10-20mm : 5-10mm : 0-3mm : 矿粉=31 : 32 : 34 : 3）用电子秤分别称取，各档玄武岩集料放置在同一托盘，矿粉放置另一托盘，将玄武岩集料与矿粉放入175℃烘箱预热4h；称取改性竹纤维，其用量为沥青混合料总质量的0.1% ~ 0.3%；将改性竹纤维与预热好的各档玄武岩集料一同放入拌和锅中170℃拌和60 s；往拌和锅中加入石油沥青（沥青用量占所用玄武岩集料和矿粉总质量的4.0%~5.5%），拌和60 s；往拌和锅中加入预热好的矿粉，拌和60 s；混合料拌和好后，立即取出装模，击实成型，自然放置冷却12h即可脱模。

原料：竹纤维（竹纤维平均直径0.28 mm，平均长度为10 mm），购自福建海博斯化学技术有限公司；玄武岩集料购自福建漳州；矿粉为白色粉末状石灰石；石油沥青（型号：A级70号；针入度25℃：6.6 mm；软化点：47.5℃），购自厦门华特集团股份有限公司；AESO、MDI、DBT均购自上海晶纯（阿拉丁）实业有限公司。

实施例1

改性竹纤维增强沥青混合料的制备，具体步骤为：

1）竹纤维改性过程：称取干燥的竹纤维50g，AESO树脂5g（AESO用量占竹纤维质量的10%），将AESO与丙酮按重量比1 : 2混合成溶液，用喷壶均匀喷洒于竹纤维表面，然后放入烘箱中50℃下烘30min，使得丙酮完全挥发。称取MDI 5.5g（其质量占AESO与竹纤维总质量的10%），加入二月桂酸二丁基锡 0.55g（DBT，其质量占MDI质量的10%）喷洒纤维表面，拌和均匀后放入烘箱103℃干燥10min即得改性竹纤维。

2）改性竹纤维沥青混合料的马歇尔试样制备：玄武岩集料按粒径分为10-20mm、5-10mm、0-3mm三档，各档玄武岩集料与矿粉按质量比例（10-20mm : 5-10mm : 0-3mm : 矿粉=31 : 32 : 34 : 3）用电子秤分别称取（一个马歇尔试件集料总质量取1300g），各档玄武岩集料放置在同一托盘，矿粉另外放置在一托盘，然后将玄武岩集料与矿粉放入烘箱175℃预热4h；称取改性竹纤维2.70g（改性竹纤维用量为沥青混合料总质量的0.2%）；将改性竹纤维与预热好的各档玄武岩集料一同放入拌和锅170℃中拌和60 s；往拌和锅中加入石油沥青52g（沥青用量占所用玄武岩集料和矿粉总质量的4.0%），拌和60 s；往拌和锅中加入预热好的矿粉，拌和60 s；混合料拌和好后，立即取出装模，击实成型，自然放置冷却12h即可脱模。

实施例2

改性竹纤维增强沥青混合料复合材料的制备，具体步骤为：

1）竹纤维改性过程：称取干燥的竹纤维50g，AESO树脂7.5g（AESO用量占竹纤维质量的15%），将AESO与丙酮按重量比1 : 2混合成溶液，用喷壶均匀喷洒于竹纤维表面，然后放入烘箱中50℃下烘30min，使得丙酮完全挥发。称取MDI 5.75g（其质量占AESO与竹纤维总质量的10%），加入二月桂酸二丁基锡 0.575g（DBT，其质量占MDI质量的10%）喷洒纤维表面，拌和均匀后放入烘箱103℃干燥10min，即得改性竹纤维。

2）改性竹纤维沥青混合料的马歇尔试样制备：玄武岩集料按粒径分为10-20mm、5-10mm、0-3mm三档，各档玄武岩集料与矿粉按比例（10-20mm:5-10mm:0-3mm:矿粉=31:32:34:3）用电子秤分别称取（一个马歇尔试件集料总质量取1300g），各档玄武岩集料放置在同一托盘，矿粉另外放置在一托盘，然后将玄武岩集料与矿粉放入烘箱175℃预热4h；称取改性竹纤维2.72g（改性竹纤维用量为沥青混合料总质量的0.2%）；将改性竹纤维与预热好的各档玄武岩集料一同放入拌和锅中170℃拌和60 s；往拌和锅中加入石油沥青58.5g（沥青用量占所用玄武岩集料和矿粉总质量的4.5%），拌和60 s；往拌和锅中加入预热好的矿粉，拌和60 s；混合料拌和好后，立即取出装模，击实成型，自然放置冷却12h即可脱模。

实施例3

改性竹纤维增强沥青混合料的制备，具体步骤为：

1）竹纤维改性过程：称取干燥的竹纤维50g，AESO树脂10g（AESO用量占竹纤维质量的20%），将AESO与丙酮按重量比1 : 2混合成溶液，用喷壶均匀喷洒于竹纤维表面，然后放入烘箱中50℃下烘30min，使得丙酮完全挥发。称取MDI 6g（其质量占AESO与竹纤维总质量的10%），加入二月桂酸二丁基锡 0.6g（DBT，其质量占MDI质量的10%）喷洒纤维表面，拌和均匀后放入烘箱103℃干燥10min，即得改性竹纤维。

2）改性竹纤维沥青混合料的马歇尔试样制备：玄武岩集料按粒径分为10-20mm、5-10mm、0-3mm三档，各档玄武岩集料与矿粉按比例（10-20mm:5-10mm:0-3mm:矿粉=31:32:34:3）用电子秤分别称取（一个马歇尔试件集料总质量取1300g），各档玄武岩集料放置在同一托盘，矿粉另外放置在一托盘，然后将玄武岩集料与矿粉放入烘箱175℃预热4h；称取改性竹纤维2.73g（改性竹纤维用量为沥青混合料总质量的0.2%）；将改性竹纤维与预热好的玄武岩各档集料一同放入拌和锅中170℃拌和60 s；往拌和锅中加入石油沥青65g（沥青用量占所用玄武岩集料和矿粉总质量的5.0%），拌和60 s；往拌和锅中加入预热好的矿粉，拌和60 s；混合料拌和好后，立即取出装模，击实成型，自然放置冷却12h即可脱模。

竹纤维沥青混合料性能测试：

竹纤维沥青混合料马歇尔稳定度、间接拉伸强度、水稳定性、老化性能测试采用标准马歇尔试件（直径φ101.6mm，高63.5mm）；直接拉伸性能、低温抗裂性能采用小梁试件（规格：长250mm，宽30mm，高35mm）；高温稳定性能测试采用车辙板试件（规格：长300mm，宽300mm，高50mm）。马歇尔试件、小梁试件、车辙板试件这三种试件的制备方法一样，仅尺寸有区别。混合料级配类型采用固定级配AC-16，油石比均采用4.4%。试验分为三组，分别为：对照组（Control，未掺纤维）、未改性纤维组（Unmodified，纤维长度1cm、掺量0.2%）、改性纤维组（Modified，纤维长度1cm、掺量0.2%）。

对照组制备过程：玄武岩集料按粒径分为10-20mm、5-10mm、0-3mm三档，各档玄武岩集料与矿粉按质量比例（10-20mm : 5-10mm : 0-3mm : 矿粉=31 : 32 : 34 : 3）用电子秤分别称取（一个马歇尔试件集料总质量取1300g），各档玄武岩集料放置在同一托盘，矿粉另外放置在一托盘，然后将玄武岩集料与矿粉放入烘箱175℃预热4h；将预热好的玄武岩各档集料一同放入拌和锅中170℃拌和60 s；往拌和锅中加入石油沥青57.2g（沥青用量占所用玄武岩集料和矿粉总质量的4.4%），拌和60 s；往拌和锅中加入预热好的矿粉，拌和60s；混合料拌和好后，立即取出装模，击实成型，自然放置冷却12h即可脱模。

未改性纤维组制备过程：玄武岩集料按粒径分为10-20mm、5-10mm、0-3mm三档，各档玄武岩集料与矿粉按质量比例（10-20mm : 5-10mm : 0-3mm : 矿粉=31 : 32 : 34 :3）用电子秤分别称取（一个马歇尔试件集料总质量取1300g），各档玄武岩集料放置在同一托盘，矿粉放置另一托盘，然后将玄武岩集料与矿粉放入烘箱175℃预热4h；称取未改性竹纤维2.71g（未改性竹纤维用量为沥青混合料总质量的0.2%），将未改性竹纤维与预热好的各档玄武岩集料一同放入拌和锅中170℃拌和60 s；往拌和锅中加入石油沥青57.2g（沥青用量占所用玄武岩集料和矿粉总质量的4.4%），拌和60 s；往拌和锅中加入预热好的矿粉，拌和60 s；混合料拌和好后，立即取出装模，击实成型，自然放置冷却12h即可脱模。

改性纤维组制备过程：

1）竹纤维改性过程：称取干燥的竹纤维50g，AESO树脂10g （AESO用量占竹纤维质量的20%），将AESO与丙酮按重量比1 : 2混合成溶液，用喷壶均匀喷洒于竹纤维表面，然后放入烘箱中50℃下烘30min，使得丙酮完全挥发。称取MDI 6g（其质量占AESO与竹纤维总质量的10%），加入二月桂酸二丁基锡 0.6g（DBT，其质量占MDI质量的10%）喷洒纤维表面，拌和均匀后放入烘箱103℃干燥10min，即得改性竹纤维。

2）玄武岩集料按粒径分为10-20mm、5-10mm、0-3mm三档，各档玄武岩集料与矿粉按质量比例（10-20mm : 5-10mm : 0-3mm : 矿粉=31 : 32 : 34 : 3）用电子秤分别称取（一个马歇尔试件集料总质量取1300g），各档玄武岩集料放置在同一托盘，矿粉放置另一托盘，然后将玄武岩集料与矿粉放入烘箱175℃预热4h；称取改性竹纤维2.71g（改性竹纤维用量为沥青混合料总质量的0.2%），将改性竹纤维与预热好的各档玄武岩集料一同放入拌和锅中170℃拌和60 s；往拌和锅中加入石油沥青57.2g（沥青用量占所用玄武岩集料和矿粉总质量的4.4%），拌和60 s；往拌和锅中加入预热好的矿粉，拌和60 s；混合料拌和好后，立即取出装模，击实成型，自然放置冷却12h即可脱模。

表1~表3以及图5~图9按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011的要求测试。

竹纤维沥青混合料马歇尔稳定度

由图5知，对照组马歇尔稳定度10.74kN，未改性纤维组稳定度13.33kN，较对照组显著提升24.0%；改性纤维组稳定度12.38kN，较对照组显著提升15.3%。

竹纤维沥青混合料间接拉伸性能

由图6知，对照组的破坏强度0.969 MPa，未改性纤维组的破坏强度0.977 MPa，其与对照组无显著差别；改性纤维组的破坏强度1.146 MPa，较对照组显著提升了10.2%。

竹纤维沥青混合料直接拉伸性能

由图7知，对照组的直接拉伸强度0.787 MPa，未改性纤维组的直接拉伸强度0.898MPa，改性纤维组的直接拉伸强度0.976 MPa，未改性纤维组与改性纤维组的直接拉伸强度比对照组的分别提升了14.0%、24.0%。

竹纤维沥青混合料高温稳定性能

由图8知，对照组的动稳定度902次/mm，未改性纤维组的动稳定度861次/mm，改性纤维组的动稳定度1106次/mm，改性纤维组的动稳定度较对照组的提升了22.6%，较未改性纤维组的提升了28.4%。

竹纤维沥青混合料低温弯曲性能

由图9知，对照组的弯拉强度8.63 MPa，未改性纤维组的弯拉强度8.96 MPa，两者无显著差异；改性纤维组的弯拉强度10.20 MPa，较对照组显著提升了18.2%。

竹纤维沥青混合料水稳定性能

表征水稳定性的指标为残留稳定度与冻融劈裂强度。由表1知，未改性纤维组的常规稳定度比对照组的显著增加了29.1%；改性竹纤维组的常规稳定度比对照组的也提高了9.7%，但两者无显著差异。未改性纤维组和改性纤维组的浸水稳定度比对照组的分别提高了10.5%与8.2%，三者之间无显著差异。未改性纤维组的残留稳定度较对照组明显下降了14.4%。

表1 残留稳定度

由表2知，对照组、未改性纤维组与改性纤维组三者的常规劈裂强度无显著差异。未改性纤维组冻融劈裂强度（0.812MPa）比对照组（0.885MPa）降低了7.2%，改性竹纤维组冻融劈裂强度（0.982MPa）比对照组的提高了4.4%，较未改性纤维组的提高了12.5%。改性竹纤维组的劈裂强度比（冻融劈裂强度与常规劈裂强度比值）最高，说明竹纤维改性后，经过冻融循环后的改性竹纤维沥青混合料仍保留了最高的劈裂抗拉强度。

表2 冻融劈裂试验数据

竹纤维沥青混合料老化性能

由表3知，老化后所有试件间接拉伸试验的抗拉强度增大，这是沥青混合料老化后变硬、变脆的结果。老化后，对照组的马歇尔稳定度（MS）增大，未改性纤维组与改性纤维组的马歇尔稳定度则减小，说明加入纤维能提高沥青混合料的抗老化性能。从横向变形看，对照组老化后横向变形减小，而未改性纤维与改性纤维组老化后横向变形增加，这是因为纤维的加入能有效阻滞裂缝的扩张所导致的。从水稳定性看，对照组老化后的残留稳定度（RS）下降，未改性纤维组与改性纤维组老化后的残留稳定度则有所提升，说明加入纤维能提高其抗老化性能，延长道路使用寿命。

表3 沥青混合料老化试验数据

表4是采用万能材料试验机(INSTRON 3343)对单根竹纤维进行直接拉伸试验的结果。纤维的破坏形式有粘结端脱落、粘结端端部断裂、样品拉伸段中间断裂三种。试验视样品拉伸段中间断裂为有效结果，其余破坏形式无效。试验结果显示，竹纤维平均直径0.28mm，弹性模量平均值为4.68 GPa，抗拉强度为736MPa。竹纤维弹性模量高，抗拉强度高，这是竹纤维应用于增强沥青混合料的一大优势。

表4 竹纤维拉伸试验结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种改性竹纤维增强沥青混合料，其特征在于：所述沥青混合料由沥青、玄武岩集料、矿粉及改性竹纤维组成，沥青混合料级配类型采用AC-16，玄武岩集料按粒径分为10-20mm、5-10mm、0-3mm三档，各档玄武岩集料与矿粉按质量比例10-20mm:5-10mm:0-3mm:矿粉=31 : 32 : 34 : 3配成目标级配；沥青用量占所用玄武岩集料和矿粉总质量的4.0% ~5.5%；改性竹纤维用量为沥青混合料总质量的0.1% ~ 0.3%；改性竹纤维的改性剂为环氧大豆油丙烯酸酯以及二苯基甲烷二异氰酸酯；

改性竹纤维的制备过程包括以下步骤：

（1）将环氧大豆油丙烯酸酯和丙酮按重量比1 : 2混合成溶液，然后用喷壶均匀喷洒于竹纤维表面，放入烘箱中50℃下烘30min，使丙酮完全挥发制得产物A；

（2）将二苯基甲烷二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡与产物A拌和均匀后，放入烘箱103℃干燥10min即得改性竹纤维；

环氧大豆油丙烯酸酯的用量占竹纤维重量的10~30%；

二苯基甲烷二异氰酸酯的用量占竹纤维与环氧大豆油丙烯酸酯总重量的10%~30%。

2.根据权利要求1所述的改性竹纤维增强沥青混合料，其特征在于：二月桂酸二丁基锡用量占二苯基甲烷二异氰酸酯重量的10%~30%。

3.根据权利要求1所述的改性竹纤维增强沥青混合料，其特征在于：所述的竹纤维为绿竹、麻竹或毛竹材经机械法制备得到，竹纤维长度为10~30mm。

4.根据权利要求1所述的改性竹纤维增强沥青混合料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）分别称取10-20mm、5-10mm、0-3mm三档玄武岩集料和矿粉，各档玄武岩集料放置在同一托盘，矿粉另外放置一托盘，然后将玄武岩集料与矿粉放入175℃烘箱预热4h；

（2）称取改性竹纤维；

（3）将改性竹纤维与预热的各档玄武岩集料一同放入170℃拌和锅中拌和60 s；

（4）往拌和锅中加入沥青，拌和60 s；

（5）往拌和锅中加入预热好的矿粉，拌和60 s；

（6）混合料拌和好后，立即取出装模，击实成型，自然放置冷却12h脱模。