木质纤维的性能特点及其在工程中的应用[1]

江苏建筑
2007年第
5期
(总第
115期)

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木质纤维的性能特点及其在工程中的应用
徐静1 ,刘加平1 ,2 ,史林1
( 1南京工业大学; 2江苏省建筑科学研究院,江苏南京210008)
[摘要]木质纤维作为沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)稳定剂,具有吸附及吸收沥青,增加沥青粘度,增加沥青膜厚度,提
高沥青路面高温稳定性低温抗裂性等作用。
[关键词]木质纤维;沥青混凝土;SMA
[中图分类号] TU531. 13 [文献标识码]B [文章编号]1005 -6270(2007) 05 -0054 -05
The Performance and Application of Cellulose Fibers
XU Jing 1 LIU Jia -ping 2 SHI Lin1
(1. Nanjing university of technology; 2. jiangsu Institute of Building Science , Nanjing 210008)
Abstract : Cellulose fiber , as a kind of fiber stabilizers used in stone mastic asphalt ( SMA) , can absorb asphalt ,
increase the viscosity of asphalt , enhance the thickness of asphalt film , and increase the stability in high temperature
and the resist -crack in low temperature of asphalt road. The performance and engineering application of cellulose fiber
will be introduced in this paper.
Key word : cellulose fiber ;asphalt concrete ; SMA
0前言
随着经济的飞速发展及交通运输量的急剧增加,对沥
青路面的性能要求也越来越高,顺应客观要求20世纪60
年代德国人发明了沥青玛蹄脂碎石(stone mastic asphalt ,简
称SMA)路面。SMA是由间断级配粗集料、沥青、纤维稳定
剂、矿粉及细集料组成[1 , 2 ] ,其中重要的组成部分纤维稳定
剂主要是木质纤维,也有少量采用石棉纤维或矿物纤维。木
质纤维具有无毒、无味、无污染、无放射性、耐酸碱腐蚀、性
能稳定、吸油率高、含水率低、耐热性好及易分散等特点,是
目前国际上应用最广泛的沥青玛蹄脂碎石稳定剂,它能在
沥青中形成三维网络,提高沥青混合料粘度,达到增加沥青
用量,提高路面高温稳定性和抗滑性等功能,从而延长沥青
路面的使用寿命。
1木质纤维的组成
木质纤维俗称为木质素纤维,而国外称为cellulose
fiber ,德国的J RS公司的木质纤维是直接由木材加工而制得
木质纤维,美国INTERFIBER及国内各生产单位主要是对各
种纸类进行加工而制得木质纤维。不管生产原料有何不同,
但是木质纤维最终都是以纤维素为骨架,以半纤维素和木
质素作为填充或粘结物的一种天然有机高分子化合物[3 ,
4 ]。
纤维素的化学式(C6 H10O5) n , n是重复的糖单元数量或
聚合度DP ,大多数造纸纤维的加权平均聚合度为600 -
1500。纤维的结构示意图如图1 ,其重复单元实际上是两个
图
1纤维素的结构示意图

联在一起的葡萄糖酐单元称之为纤维二糖
(C12 H22O11)。组合
纤维素时的聚合连接作用
,使链型呈伸展状态
,因此纤维分
子适于联合成较长的

链段
,增大了结合强度
,这是纤维素物
质具有高强度的原因所在。

半纤维素是五种不同糖类的聚合物
,即葡萄糖、甘露
糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖。根据植物品种的不同
,这些糖
类和糖醛酸形成各种聚合物结构
,有些与植物的纤维素相
联
,有些与木质素相联。

木质素的主要作用是组成胞间层
,这是纤维粘结在一
起的胞间物质
,另外木质素还存在于纤维的其余截面内。木
质素的化学组成非常复杂
,其结构主要
[5 ,6]由由苯丙烷结构
单元通过醚键和碳
-碳键联结而成的复杂的、无定型的三
维空间结构
,在酸作用下难以水解的高分子无定型物质
,其
主要单体为香豆醇
(coumary alcohol)、松柏醇
(coniferyl alco2
hol)和芥子醇
(sinapyl alcohol)。

[收稿日期
]2007206225

[作者简介
]徐静
,南京工业大学硕士研究生。



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2木质纤维的技术要求及性能特点

木质纤维的技术标准与其它合成纤维的要求不同
,并
非对其强度等作规定
,而是对筛分析
,吸油率及耐热性等性
能作要求
,其具体技术指标参见
J T/ T533 -2004和
GB/
T14336-93[7 ,8]。

表
1木质素纤维技术指标

序计量

号检验项目单位技术要求


1纤维长度
mm <6.0
充气筛分析
0. 105 mm筛通过率
% 70 ±10

0.850 mm筛通过率
% 85 ±10
2
普通筛分析
0.425 mm筛通过率
% 65 ±10
0.106 mm筛通过率
% 30 ±10
3灰份含量
% 18 ±5
4 PH值
7. 5 ±1
P
不小于纤维自

强
,而对吡啶类
,酮类和芳香类化合物吸附能力很弱甚至不
吸附
,所以会剩余部分沥青未被集料吸附而成为自由沥
青。最后
,在高温状态下
,沥青的粘度小
,流动性好
,即使原
来已经被集料吸附的沥青成分如羧酸和亚砜类化合物也会
脱离集料表面而形成自由沥青。路面泛油不仅影响表面美
观
,同时给行车行人带来不便。

木质纤维因其特有的结构
,充分吸收及吸附沥青
,增加
沥青粘度
,提高沥青的高温稳定性。木质纤维是一种多孔的
大比表面积材料
,它的比表面积
[29 ]可高达
11 000 cm2/ g,而
其它如玻璃纤维
,多兰纤维
,矿渣纤维的比表面积只有
2 500
cm 2/ g～6 000 cm2/ g ,它可以吸附吸收沥青中的各种成分包
括吡啶类
,酮类和芳香类化合物
,增加沥青用量
,减小自由
沥青量
,增加沥青结合料粘度
,达到减少或防止沥青路面
"
泛油
"现象的发生。

谢伦堡法和网篮法析漏试验
,都可以表征出木质纤维

5吸油率%身重量的5倍
6含水率% < 5. 0
7耐热性,210 ℃,2 h %
颜色,体积基
本无变化,热
失重不大于6 %
木质纤维的主要性能特点有:长

度不足6 mm ,且成弯
曲状态;吸油率高一般可达到自身重量的7 -9倍,吸油率
对沥青的吸收及吸附能力,然而在这两种方法中网篮法能
更科学的表征出纤维对沥青的吸持。同济大学黄彭[30 ]等针
对纤维对沥青吸持作用做了试验,结果如表2所示。
表2纤维对沥青的吸持量
试样
标号被测材料
纤维对沥青的吸持量
试验前140 ℃160 ℃170 ℃
高的主要原因是木质纤维的结构特点所决定的,木质纤维
是一种多孔材料
,比表面积高达
11 000 cm2/ g;耐热性好
,一
般合成纤维如
PP纤维在
170℃条件下就已经失去的强度
,
而木质纤维它是一种天然的高分子物质
,温度
200℃以上
仍然可以保持其性能
,其耐高温性
[9 ,34 ,35]很好
,适合在高温
沥青混凝土中使用。


3木质素纤维的应用及作用特点

由于夏季高温、汽车荷载、水等各种外在原因综合导致
高速公路沥青路面损害严重
,在各种损害类型中
,车辙
,裂
缝及水损害是三大最重要的破坏类型
,导致沥青路面的耐
久性降低。

掺加一定数量的木质纤维
,纵横交错的纤维吸收及吸
附沥青
,增加混合料中结构沥青的用量
,减少了自由沥青
,
增强玛蹄脂的粘滞性
,提高沥青结合料与集料的粘附力
,从
而起到防止
"泛油
",提高抗裂性、抗水损坏性和高温稳定性
等
,从而达到延长沥青路面的耐久性。

在现有的论文资料中沥青玛蹄脂碎石混合料的稳定剂
绝大多数
[10 -17 ,18 -26 ,33]都采用木质纤维
,同时木质纤维也用
于其它领域如保温砂浆、石膏材料、硬质聚氨酯泡沫塑料
[5 ]
和非轮胎橡胶制品中
[27 ,28 ]。本篇论文主要阐述木质纤维在
沥青混合料中的应用及作用特点。


3. 1增粘性能
"泛油
"是高速公路沥青路面常见的损害现象
,首先
,沥
青粘度低、高温稳定性差
,特别在夏季高温季节
,沥青路面
容易出现泛油现象。其次
,集料对沥青具有选择吸附的功能
[39 ] ,
集料对沥青中的羧酸类
,亚砜类和酚类化合物吸附能力较

1纯沥青
10.00 0 0 0
2沥青
+矿粉
10.0 0 0 0
3沥青
+矿质纤维
10.0 7.94 6.66 5.58

4沥青
+絮状木质素纤维
10. 0 10. 0 9. 35 9. 05
5沥青
+粒状木质素纤维
10. 0 10. 0 7. 46 6. 96
6沥青
+工程腈纶纤维
10. 0 8. 93 5. 83 5. 50
7沥青
+预拌沥青
颗粒纤维
10. 0 7. 44 6. 09 5. 70

试验数据显示加入腈纶纤维和木质纤维都可以提高
纤维对沥青的吸持量
,但是在高温条件下如
170℃时
,絮状
木质纤维对沥青的吸持量仍然可以保持
90 %以上
,可见木
质纤维对沥青的吸附能力最强。

木质纤维可有效提高沥青结合料的粘度
,J IAN -CHIUH
CHEN和
KUEI -YILIN [

31]等将木质纤维等各种纤维加入到
沥青中
,制成沥青纤维胶浆
,并且测其粘度与素沥青的粘度
进行比较
,其结果如图
2所示。


图
2纤维沥青胶浆与沥青粘度对比图




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能的作用机理[12 ] :首先
,木质纤维的加入使混合料的最佳沥
青用量增加
,这本身就增加混合料的延展性
,改善了混合料
的劲度模数
;其次
,与木质纤维良好的物化性能有关
,木质
纤维在低温条件下并不变硬、变脆
,故加筋作用使混合料具
有了较好的柔韧性
,提高混合料低温应变值
;第三
,互相搭
接的木质纤维又提高了混合料的抗拉强度。因此混合料的
低温抗裂性能得到改善。

混合料被拉裂
,导致沥青路面出现裂缝造成路面的破坏
,所
空隙率,从而提高SMA的抗水损坏性能。
目前国内外主要用残留稳定度、冻融劈裂性及飞散试
以提高沥青及沥青混合料的低温强度或低温变形能力
,对验评价水损坏性能。长安大学的彭波
[12 ]分别对木质纤维不
于减少或防止横向裂缝有极为重要的影响。
在沥青结合料中加入木质纤维,可以大大提高沥青的
针入度和低温延度,并降低沥青温度敏感性,增强沥青路面
的低温抗裂性能。木质纤维提高沥青混合料的低温抗裂性
同掺入量的沥青混凝土进行残留稳定度性能测试
,结果见

表
4所示。

由图
2可见
,随着纤维加入量的增加
,纤维沥青胶浆的
粘度可高达沥青粘度的
16倍
,所以加入纤维后沥青胶浆的
粘度得以大大提高。

木质纤维可以增加沥青用量
,并大大提高沥青结合料
的粘度
,所以在沥青混凝土中加入木质纤维可以减少或避
免沥青路面的
"泛油
"现象出现。


3. 2抗裂性能
沥青路面开裂
[37 ]是各国道路界普遍关心的问题
,至今
仍然是各国沥青路面最普遍的损害现象之一。裂缝种类不
同原因各异
,如温缩裂缝、半刚性基层的反射性裂缝、疲劳
裂缝
(网裂、龟裂
)及路基不均匀沉降形成的裂缝。其中温缩
裂缝的发生与沥青结合料和沥青混合料的低温抗裂性能直
接相关。冬季低温时沥青混合料将产生体积收缩
,但在周围
材料的约束下
,沥青混合料不能自由收缩
,从而在结构层内
部产生温度应力。当温度骤降时
,这时产生的温度应力来不
及松弛
,当温度应力超过沥青混合料的允许应力值时
,沥青


长安大学的武贤慧
[36 ]对木质纤维增强沥青混凝土低温
性能做了较深入的研究
,她分别采用低温弯曲试验、低温弯
曲蠕变试验和
J 1c积分试验来表征纤维沥青混凝土低温抗
裂性能。其中
J-积分试验分别测定并计算出

混凝土破坏时
总应变能及能量
J1C ,具体数据如表
3所示。

表
3混合料的能量值

种类破坏时总应变能
PN·mm
能量
J1cPJ
·mm -2
原沥青混凝土
180. 35 474. 6
纤维沥青混凝土
330. 15 845. 3

结果表明
:木质纤维沥青混合料的
J 1C值明显高于未
加入纤维的
,说明木质纤维在混合料中的分布对混合料起
到的加劲作用
,阻滞了混合料的开裂
,从而提高了沥青路面
裂纹自愈能力
,减少裂纹的出现。


3. 3抗水损坏性能
随着高速公路沥青路面的建设和发展
,沥青路面的水
损坏问题已越来越引起道路工作者的重视
,水损坏具体表
现形式有麻面、松散、掉粒、乃至坑槽。水损坏的先决条件是

水的存在
,同时存在力的反复作用
,汽车荷载的压力和高速
行驶产生的空气吸力形成剪应力的反复泵吸作用
,使沥青
膜从集料表面剥离发展到松散、掉粒、坑槽或唧浆、网裂、辙
槽等病害
,同时诱发其它路面病害。也有理论认为
,沥青混
合料中涂敷沥青的集料颗粒遭遇水的浸泡后
,由于水具有
很强的表面张力和浸润性
,可以通过沥青自发的乳化作用
进入并穿透沥青膜侵入沥青
-集料界面上
,并最终取代沥
青膜。因此要解决水损坏必须避免水长期残留在混合料的
空隙中
,才能从根本上解决水损坏问题。

沥青玛蹄脂碎石混合料
SMA是一种骨架型结构
,若沥
青用量不够
,则骨架间空隙率过大
;但是若沥青的粘度不足
且沥青用量过大时
,容易出现离析现象形成底部细集料密
实
,而上部空隙率过大。而在
SMA中加入木质纤维
,不仅增
加最佳沥青用量
,且同种增加沥青结合料的粘度
,提高沥青
结合料与集料的粘结力
,有效填充粗骨料之间的空隙
,减小

表
4水稳定性试验

纤维掺量
P%残留稳定度
P%

0 80. 77
0.2 95.03
0.3 96.00
0.4 90.64
表
4中数据显示
,加入木质纤维后混合料的残留稳定
度大幅度提高
,提高沥青混合料抗水损坏能力。


3. 4抗车辙性能
车辙等沥青路面的流动变形是国际上最常见的沥青路
面损害现象。据国际上的统计
,在沥青路面的维修养护中
,
有约
80 %是因为车辙
[37 ]。与开裂、水损坏相比
,车辙的危害
性最大
,直接威胁交通安全。形成车辙的主要外因有夏季持
续高温、汽车荷载及地形地势等因素。外在因素是无法控制
的
,然而如何提高沥青混凝土材料本身性能
,以达到避免或
减少车辙损害出现。


SMA是一种骨架型结构沥青混合料
,依靠粗集料的骨
架结构
,能够有效地防止高温季节沥青混合料的变形
,以减
缓沥青路面车辙的形成。同时在
SMA中加入木质纤维

,提
高沥青结合料的粘度
,增加集料表面的沥青膜增厚
(有关学
者认为可增厚
65%-113% [32]) ,提高集料与沥青的粘附力
,
进一步提高沥青混合料整体的粘结力增加系统稳定性
,增
加了沥青混合料的柔韧性
,从而达到提高沥青路面的抗车
辙能力。

针对加入木质纤维提高沥青混凝土的抗车辙能力
,沈
金安教授
[38 ]在
SMA路面设计与铺筑一书中举了一个具体
的实例
,具体如表
5所示。



江苏建筑
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性
,对社会和交通的影响较大。当然
交通荷载、设计、
,沥青路面的耐久性与
气候、
提高沥青路面的耐久性需要多方面的共同努力
,才能从根
本上解决耐久性问题。然而
,在沥青混凝土中加入木质纤维
对提高沥青路面的耐久性有何帮助呢
?

木质素纤维在沥青混合料中的应用[J ].西安
[ 13]
纤维稳定剂对沥青混合料路用性
面层的再生或加铺罩面外
,大多数高速公路基本不到
8年
能的影响分析
[J ].中外公路
,2005 ,25(6) : 113 -115.
-10年
,甚至更短的年限内就发生基层松散的结构性破坏
,[12]彭波
.
需要进行大修
,而且这种大修不仅仅是对沥青面层的维修
,建筑科技大学学报
(自然科学版
) , 2005 ,37(1) :104 -107.
还必须同时维修基层和底层。这种情况带有普遍性、全局
材料及工艺等多方面因素有关,所以
彭波
,李文瑛
,戴经梁
.多碎石沥青混凝土路用性

表
5掺加纤维对提高动稳定度的效果

沥青混合未掺纤维的
掺木质纤维的
掺纤维测定效
料种类DS(次Pmm)DS(次Pmm)果
(提高倍数
)

密级配沥716 2625 3. 7 青混凝土


SMA 389 3316 8. 5

表
5是加入纤维稳定剂和未加入纤维的沥青混合料的
动稳定度的比较
,加入纤维后沥青混凝土的动稳定度大幅
度提高
,尤其是
SMA ,加入纤维后其动稳定度提高了
8. 5
倍。所以在沥青混凝土中加入木质纤维可以大大提高沥青
路面的抗车辙能力。


3. 5耐久性
大多数沥青路面的耐久性差
[37 ] ,沥青路面的使用寿命
达不到我国规范的设计年限
15年
,与国际上
30年
-40年
的设计年限
,甚至
50年的
"永久性路面
"更不能相比。我国
除了早期修筑的京津塘、广深珠等几条高速公路只需要表

木质纤维加入到沥青结合料中
,吸收及吸附沥青
,提高
结合料的粘度
,增强沥青与集料的粘结力
,增加沥青膜厚
度
,改善混合料的系统性能。首先
,加入纤维
,减小沥青混凝
土空隙率
,提高沥青路面的抗水损坏及抗老化性能
;其次
,
加入木质纤维
,增加沥青粘度
,提高路面的抗裂性能
;再次
,
加入木质纤维
,提高沥青混合料

的柔韧性
,提高路面的抗车
辙及抗疲劳性能。综上所述
,加入木质纤维有利于延长沥青
路面的使用年限
,提高路面的耐久性。
4结语

木质纤维是一种天然多孔性有机纤维
,通过吸收吸附
沥青
,增加沥青粘度
,提高沥青结合料与集料的粘结力
,增
加沥青膜厚度
,提高沥青混合料的柔韧性
,从而达到防止或
减少
"泛油
"现象
,提高沥青路面的抗水害性、抗裂性能及抗
车辙能力
,延长沥青路面的使用寿命
,提高沥青路面的耐久
性。

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序号桩长PM最后三阵锤击
贯入度cmP阵按设计要求桩长“双控”进入2 -⑤层情况
1 49. 7
9月24日打) 2. 2. 1进入2 -④层8. 59 m ,未进入2 -⑤层,距2 -⑤层顶面3. 91 m。距
设计“双控”要求应进入2 -⑤层2. 7 m尚差6. 61 m。
表1 3根断桩按设计"双控"实施施工情况
(上接第42页)
进入
2-④层
11.56 m,距
2-⑤层顶面
0.94 m。距设计“双控”要求

2

6
应进入
2-⑤层
2.7 m尚差
3.64 m。


进入
2-④层
5.9 m,距
2-⑤层顶面
5.61 m。距设计

“双控”要求应3
49. 7
(9月23日打)
49. 7
(9月
27日打
) 7.7进入
2-⑤层
2.7 m尚差
8.31 m。

载力所需要的停止锤击的贯入度
,设计并要求必须进入
2-⑤层
2.7 m,已无必要。


3. 6大量工程桩施工实践
,对"双控
"和"单控
"桩长停锤控
制的施工结果
,证明达不到
"双控要求
"。
开始打桩
5天
,共打
34根
,80 %的桩端未能进入
2-⑤
层
,并出现
3根断桩
,3根断桩均未达到设计要求锤击贯入
度
3阵为
1 cm/阵和同时满足进入
2-⑤层
2.7 m的"双控
"
要求。表
13根断桩的最后
3阵锤击贯入度为
2～7 cm/阵
,
平均贯入度为
4. 5 cm/阵
,与试桩最终贯入度
5 cm/阵接
近。


3. 7
最后设计变更由
"双控
"改为
"单控
"的过程
第一次设计交底为双控
: (1)桩深入
2-⑤层内
2.7 m,
(2)并同时满足最终锤击贯入度
3阵为
1 cm/阵
;
第二次设计变更为双控
: (1)最终贯入度为
1 cm/阵
,
(2)若标高达到设计要求进入
2-⑤层内
2. 7 m,贯入度可大
于
5 cm/阵
;
第三次设计变更为双控
: (1)以贯入度控制为主
,最终
不大于
5 cm/阵
, (2)桩尖进入
2-⑤层不少于
1.2 m;
第四次设计变更为双控
:在第三次基础上由
3阵增至
5阵
;
第五次设计变更为单控
:以贯入度为主
,入土深度为

辅
,贯入度为
5 cm/阵
(注
: 5 cm/阵即为试桩桩长停止锤击
的贯入度
),贯入度已满足而桩尖尚未进入
2-⑤层土层时
,
则加打
2阵
,如无异变则停锤。
4监理建议由
"双控
"改为
"单控
"所产生的效益


4. 1经济效益
:按桩基审计造价初步估算节省桩长
965 m,
是总桩长的
8%,可节省工程投资
34万元。
4. 2工期社会效益
,由于节省了桩长
,从而提高了工程进
度争取了工期
,提前交付建设单位使用。
4. 3质量安全效益
,不仅满足了设计要求
,确保了工程质
量
,低应变测试全部合格
;还减少了断桩。
4. 4竣工验收评为优良工程
,已使用
7年
,无异常。
5结论
从理论上
(如上述
3. 5. 2条款用试桩最终贯入度作为
桩长终端停锤原则的依据
),实践上
(如上述
3. 6条款
241根
桩大部分未进入
2-⑤层
2.7 m及贯入度达不到设计要求
最后三阵
1 cm/阵的
"双控
"要求
,三根断桩平均贯入度为


4. 5 cm/阵
,接近试桩为
5 cm/阵的停锤原则
),效益上
(上述
4条款
,估算可节省桩基工投资
34万元
,缩短了工期
,确保
了质量和安全
,工程验收优良已交付使用
7年无异常
),均
已论证了对可满足设计单桩承载力的试桩
,其试桩本身在
成桩过程中的成功经验和数据
,应是试桩静载试验的目的
之一。可作为在

大量工程桩施工阶段控制桩长的施工、监
理、设计变更和竣工验收的依据。
参考文献


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