剑麻纤维SBS改性沥青混合料的路用性能研究

桂林理工大学硕 士 研 究 生 学 位 论 文（专 业 学 位）剑麻纤维 SBS 改性沥青混合料的路用性能研究Study on the modification of SBS asphalt mixture by sisalfiber学位类别工程研究生 研 究 生宋冬冬学号21427 工程领域建筑与土木工程 研究方向道路与桥梁工程 导师谭波职称副专家 公司导师职称 年 4 月 10日Study on the modification of SBS asphalt mixture by sisalfiberMajor：Architectural & Civil Engineering Direction of Study：Road & Bridge Engineering Graduate Student： Song Dong Dong Supervisor：Prof. Tan BoCollege of Civil and Architecture Engineering Guilin University of Technology September, to April, 近几十年以来，随着着国内经济等各方面的大发展，公路的建设也随之飞速发展开 来，进而公路建设及管理养护的投资越来越大，但是国内公路建设的质量及其使用寿命 还不能满足人们日益增长的出行及运送规定。因此，如何提高公路建设的质量，延长路 面的使用寿命始终是人们大众所盼望的也是道路管理部门及有关科研人员关注的重点， 环绕这一命题，本文尝试着将具有较好纤维稳定剂作用的剑麻纤维掺入到 SBS 改性沥青 混合料中，探寻剑麻纤维的加入与否可以进一步提高 SBS 改性沥青混合料的的路用性能。 一方面简介了通过碱性预解决的剑麻纤维在 SBS 沥青混合料中改性的作用机理，然后进行 了剑麻纤维 SBS 改性沥青混合料的的设计并对其进行了路用性能的研究，其中掺加木质 素纤维的混合料作为对比实验，分析研究重要成果如下：（1）碱性预解决后剑麻纤维在SBS改性沥青混合料中具有较好的改性机理作用，主 要表目前可以在混合料中起到较好的加筋作用、吸附作用、稳定作用和阻裂作用等。（2）在广西高速公路沥青常用的使用AC-13级配范畴中值基本上，以4%孔隙率为主 要控制指标得出分别加入剑麻纤维和木质素纤维的混合料最佳油石比为4.93%、4.88%,即 两者非常接近约为4.9%；同步通过马歇尔实验、劈裂实验及谢伦堡析漏实验，结合经济 效益的考虑，最后拟定了最佳纤维掺量为0.2%，并拟定了混合料的设计措施。（3）混合料的路用性能实验：水稳定性,未加纤维、加入剑麻纤维及加入木质素 纤维的混合料冻融劈裂抗拉强度比分别为89.002%、90.269%、90.205%。低温稳定性, 低温抗裂性实验中的抗弯拉强度分别为7.15MPa、8.26MPa、8.23MPa,最大弯拉应变分别 为3122、3420、3415，劲度模量分别为4180、4170、4167。高温稳定性,高温车辙试 验的动稳定度成果分别为6533次/mm、7058次/mm、7291次/mm。可见，剑麻纤维加入后 混合料的水稳定性、低温抗裂性、高温性能得到了改善与提高。（4）剑麻掺量的影响：剑麻掺量为0.2%、0.3%、0.4%的SBS改性沥青混合料冻融劈 裂抗拉强度比分别为90.269%、90.865%、91.652%；低温抗裂性实验中的抗弯拉强度分 别为8.26MPa、8.64MPa、9.12MPa,最大弯拉应变分别为3122、3420、3415，劲度模量分 别为4180、4170、4167；高温车辙实验的动稳定度成果分别为6533次/mm、7058次/mm、 7291次/mm.由以上数据可以看出，随着掺量的增长混合料的水稳定性、低温抗裂性、高 温稳定性也有所增长。总之，剑麻纤维的加入可以一定限度上提高SBS改性沥青混合料的各项路用性能， 并且在一定范畴内随着掺量地增长性能改善也随之增长，还可以替代改性效果基本相称 的价格较贵的木质素纤维，具有较好的经济效益和发展前景。核心词：剑麻改性，沥青混合料，剑麻掺量，路用性能In recent decades, with the development of the economy and other various aspects of our country, the construction of highway has been rapidly developed, and the investment of highway construction and management of maintenance is more and more big, but the quality of our countrys highway construction and its service life still cant satisfy peoples growing travel and transportation requirements. Therefore, how to improve the quality of the highway construction and extend the service life of the pavement has been expected by the public and it is also the focus of the researchers and related departments. In order to achieve this goal, this attempt to put the sisal fiber into SBS modified asphalt mixture, explore the addition of sisal fiber can improve the SBS modified asphalt mixture of road performance. This paper firstly introduces the effect and mechanism of SBS modified asphalt after putting into the alkali pretreatment sisal fiber, finally carried on the sisal fiber of SBS modified asphalt mixture design and the road performance, including lignin fiber as a contrast test, the analysis and research indicated that:(1) The alkali pretreatment sisal fiber in the SBS modified asphalt mixture has good modification mechanism, mainly manifested in can have very good reinforcement effect in the mixture, adsorption, stability and resistance to crack, etc.(2) On the basis of AC-13 gradation scope which is commonly used in Guangxi highway asphalt, with 4% porosity as the main control indexes, the optimum proportion of respectively to join sisal fiber and lignin fiber mixture is 4.93%, 4.88%, is very close to both about 4.9%.Also with Marshall test 、the split test validation and the leakage Xie Lunbao analysis test,combined with the consideration of economic benefit, finally determine the optimal fiber content is 0.2%, and determined the design method.(3) The performance test of the mixture: The water stability ,no fiber, sisal fiber andjoin the lignin fibers freeze-thaw splitting tensile strength of mixture ratio respectively is 89.002%、90.269% and 90.205%.The low temperature stability, the low temperature crack resistance test of the flexural tensile strength are 13.05 MPa、 14.26 MPa、 14.23 MPa, the maximum bending strain are 3122、3420、3415,the stiffness modulus are 4180、4170、4167.The high temperature stability, the high temperature rutting test results s dynamic stability are 6533 times/ mm、6533 times/mm、7291 times/mm. Visible, after joining sisal fiber themixtures water stability, low temperature crack resistance, high temperature performance are improved and enhanced.(4) The influence of dosage of sisal: the dosage of sisal hemp are 0.2%、0.3%、0.4% ofIIthe SBS modified asphalt mixture freeze-thaw splitting tensile strength respectively are 90.269%、 90.865%、91.652%; low temperature crack resistance test of the flexural tensile strength are 14.26 MPa、14.98 MPa、15.65 MPa、the maximum bending strain are 3122、 3420、3415 , the stiffness modulus, respectively are 4180、4170、4167, the dynamic stabilityof high temperature rutting test results are 6533 times/ mm 、7058 times/mm、7291 times/mm. Base on the above data, it can be seen that with the increase of dosage the mixtures water stability, low temperature crack resistance, high temperature stability are also increased.In conclusion, the addition of sisal fiber can improve the SBS modified asphalt mixtures road performance, and within a certain scope, as the content increase performance improvement also will increase; also can take place the more expensive lignin fiber in improving the SBS modified asphalt mixture. It has a rather good economic benefits and development prospects.Keywords: Sisal modification，Asphalt mixture，Sisal dosage，Road performanceIII目录摘要IAbstractII第 1 章 绪论11.1 研究背景及目的意义11.2 国内外改性沥青混合料的研究现状21.2.1 改性沥青混合料的研究现状31.2.2 纤维沥青混合料的研究现状41.2.3 剑麻纤维的研究现状61.3 本文研究的主要内容71.4 本文研究的技术路线8第 2 章 剑麻纤维在沥青混合料中的作用机理92.1 纤维在沥青混合料中的作用机理92.1.1 加筋作用132.1.2 吸附作用132.1.3 稳定作用132.1.4 阻裂作用142.2 纤维改性的技术要求142.3 剑麻纤维沥青混合料的改性机理152.4 本章小结16第 3 章 剑麻纤维 SBS 改性沥青混合料的设计183.1 原材料试验及技术要求183.1.1 集料183.1.2 填料192.1.3 沥青203.1.4 剑麻203.2 混合料配合比设计213.2.1 级配选择213.2.2 最佳剑麻掺量213.2.3 混合料最佳油石比的确定243.3 本章小结24第 4 章 剑麻纤维 SBS 改性沥青混合料路用性能研究264.1 水稳定性264.1.1 剑麻对 SBS 改性沥青混合料水稳定性的影响264.1.2 剑麻掺量对 SBS 改性沥青混合料水稳性的影响304.2 低温抗裂性314.2.1 剑麻对 SBS 改性沥青混合料低温抗裂性的影响324.2.2 剑麻掺量对 SBS 改性沥青混合料低温抗裂性的影响344.3 高温稳定性354.3.1 剑麻对 SBS 改性沥青混合料高温稳定性的影响354.3.2 剑麻掺量对 SBS 改性沥青混合料高温稳定性的影响384.4 本章小结39IV第 5 章 结论与进一步研究建议405.1 结论405.2 特色与创新415.3 进一步研究建议41参考文献42V第 1 章 绪论1.1 研究背景及目的意义进入 21 世纪的中国无疑在经济发展等方面获得了举世瞩目的成就，一方面交通运 输事业的重要地位开始慢慢凸显出来，但另一方面其作为制约经济发展的不好的一面也 越来越得到人们的注重，国家也在国内交通事业发展方面绘制了相应的宏伟的蓝图，特 别是在公路交通方面。在第十一种五年筹划里，国内在编织三维式的交通网方面明显加 快了迈进步伐，国内的水路运送、公路交通、民用航空、邮政运送均迎来前所未有的最 大规模的建设热潮，同步可谓也获得了前所未有的大发展，陆海空呈现出立体式全面通 畅的场景，一定限度上达到了人们出行需求的目的。在公路建设方面，到 年年终， 在全中国建成的公路交通网总的里程达到近四百万公里，仅仅这五年的时间，就新增了 超过三万公里，基本上形成了国家高速公路网的三维立体式交通骨架。而整个中国的农 村公路交通通车里程到“十一五”末期，达到了近三百五十万公里，相对以往这几年新 增长的通车里程超过了五十万公里。同步在第十二个五年筹划里，国内将按照一定限度 上超前的原则，根据基本国情进一步加大交通运送基本设施的建设，大力推动三维立体 式综合交通运送体系建设，一步步向多种运送方式“无缝衔接”迈进1。近几十年以来，沥青路面在国内已经建成的高速公路中占有很大的比例。并且在已 经建成的高速公路沥青路面中，大部分路面的使用状况相对来讲还是比较好的2。虽然 在过去很近年的建设中所使用的建筑材料性能也非常良好，但国内有关人员也很清晰地 结识到了，由于在高速公路的建设方面国内起步相对比较晚，技术储藏方面也比较少， 经济条件也不是较好，再加上国内的独特的气候状况和逐渐显现出来的恶劣的交通状 况，不断增长的交通容量及严重的车辆超载现象等因素，有部分高速公路沥青路面的建 设水平并没有像人们所盼望的那样，甚至发生了在通车后的前几年就不得不大规模维修 的尴尬局面，开裂、车辙、坑槽、泛油等初期破坏的现象比较严重3。建设安全性更高、 经济性较好、更加耐久的、更加实用的公路的规定越来越迫切，这就使国内老式沥青性 能上的局限性的一面日益显现出来4。如何避免高速公路的初期破坏越来越成为一种重 要的研究课题。而针对这一问题，基本上可以从如下几种方面着手去做：材料方面、设 计方面、施工方面、养护方面、管理方面5。上述这些措施中后四者都不能从主线上解 决问题，要从主线上解决问题还得从源头即材料方面出发，其中最为重要的自然就是沥 青材料的性能。因此这就需要我们采用更好的沥青材料对沥青进行改性，研究找出一种更好的改性 沥青，来改善沥青材料的各项路用性能，以延长其使用寿命同步提高其其她各方面使用 性能。本文基于目前国内外使用比较广泛的 SBS 改性沥青，探究加入剑麻纤维后，剑麻1纤维对 SBS 改性沥青混合料的路用性能的影响，剑麻纤维的加入与否可以进一步提高 SBS 改性沥青混合料的各项路用性能，其中把木质素纤维的研究作为对比研究，并提出 在改善 SBS 改性沥青混合料路用性能效果方面，剑麻纤维与否可以替代价格较贵的木质 素纤维。本文研究成果表白，剑麻纤维的加入，有效的改善和提高了 SBS 沥青混合料的各项 路用性能，从微观上改善了基体的性质，弥补了沥青混合料抗拉性能差、低温脆性大的 局限性、可以减少泛油等初期破坏现象。另一方面，本项目研究加入剑麻纤维的 SBS 改性 沥青混合料，充足发挥了剑麻的广西地区特性，具有极大的经济和实用意义。（1）剑麻纤维较好的经济效益：剑麻纤维原材料具有较低的成本，按照目前市场价 格来看，一般品质的剑麻纤维的价格大概是 5000 元/吨，废料更低至大概 1500 元/吨。 同步本文中作为对比研究的木质素纤维价格大概为 7000 元/吨，而矿物纤维的价格会更 高。如果剑麻纤维可以得到成功应用的话，那将会大大减少纤维添加剂的成本，带来巨 大的经济效益。（2）剑麻纤维节能环保、货源充足：广西本区是中国最大的剑麻制品生产基地，年 产剑麻 5 玩吨左右，在剑麻有关制品的生产过程中会产生诸多的剑麻废料，其中大部分 是不能被加工运用的短小纤维，废料高达 30%左右且目前暂无任何商业价值。（3 ）本文研究的是同步加入剑麻纤维和 SBS 改性剂的沥青混合料，对共混型改性沥 青的研究起到了一定参照作用，同步也对 SBS 改性沥青的研究发展起到了一定作用。(4)加入剑麻纤维后的 SBS 改性沥青混合料的各项性能指标如能进一步提高，将会 一定限度上改善沥青混凝土路面的初期破坏现象, 进而也提高了行车的安全与舒服度， 同步也使得沥青混凝土路面的使用寿命得到延长,道路的管理养护成本也相应减少。总 之，将对道路交通的发展有重要意义。1.2 国内外改性沥青混合料的研究现状目前国内外对改性沥青的研究已有很长的历史，对改性沥青的研究已经具有一定的 广度和深度。但到目前为止所研究的改性沥青大体上可以分为三大类：其中目前最为广 泛使用的 SBS 改性沥青及天然橡胶改性沥青等就是属于第一大类，即热塑性弹性体及橡 胶类改性沥青；另一方面就是目前在某些其他领域应用研究也比较多的合成树脂及塑料添加 剂类改性沥青，如我们所熟知的乙烯-乙酸乙烯聚合物改性沥青；最后一种是目前研究 相对较少不常用的一种，它是把两种或两种以上聚合物同步加入到沥青中对沥青进行改 性，即共混型高分子聚合物改性沥青6。下文将一方面把世界各国早有尝试改善，并且目 前诸多国家都很关注的改性沥青混合料在其她国家及国内的研究发呈现状做一下大体 概述，然后再专门将来源研究发展较早较快的世界上某些国家在专门针对纤维改性这一 方面的研究发展做一下论述，最后将进一步概述了本文研究的剑麻纤维的研究现状。21.2.1 改性沥青混合料的研究现状在国外，事实上人们对改善沥青性能方面的摸索已有很长的历史，特别是在欧洲、 美国和加拿大等国家地区对改性沥青的研究发展尤为较早。其实在很早此前有些科研相 关人员就开始尝试着把硫磺、橡胶添加到沥青中来提高改善沥青的有关性能。而上个世 纪六十年代初，人们就已经开始对聚合物类改性沥青进行了相应的科学研究。在 1963 年法国就成立了相应的道路实验室，并摸索着在沥青混合料生产过程中把天然的或者是 人工合成的橡胶加入到其中，以达到使沥青混合料改性的目的。但是由于多种因素的影 响，在当时并没有得到人们足够的结识，也许是由于石油危机的缘故，在 1973 年之后 改性沥青才真正受到人们的注重，并且令人难以想象的是当时优质沥青的价格增长到了 本来的六倍，自然这就吸引了世界上诸多国家的大批有关科研人员投入到了改性沥青的 研究开发之中去，特别是在欧洲、美国以及加拿大等国家地区7。在欧洲，到 80 年代中 期有关科研人员开始发现到 SBS 的优良特性，同步由于受到一定的影响，自然 80 年代 初起开始被广泛使用 EVA 慢慢失去了市场竞争力，除当时的英国仍然使用比较多以外， 作为改性剂添加到沥青中的 EVA，己经慢慢被 SBS 新型的改性剂所替带。据有关数据 记录，欧洲市场改性沥青的总量中，在 1991 年时，SBS 作为改性剂的沥青占百分之四 十，EVA 改性沥青占百分之十九，SBR 改性沥青占百分之十四，NOVOPHALT 改性沥 青仅仅占百分之三。在美国，一开始也没有注意到 SBS 改性剂的优良特性，人们也是较 多的使用如 PE、EVA 等其他品种的改性剂，但后来在发现了 SBS 改性剂具有相称好的 低温性能、高温性能和弹性恢复等优良性能之后，便又开始把重点转向了 SBS 改性剂8。 目前来讲，SBS 改性剂已成为改性剂品种中最为重要的一种。在过去的一二十年中，仅 西欧就用掉了近 50 万吨的改性沥青，并且其中使用量最多的就是 SBS 作为改性剂的沥 青，据有关数据记录占使用总量将近 40%左右。而北美洲北半部的加拿大，在 1960 年， 加拿大多伦多大学的 Davis 刊登的水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝防治措施研究 一文中，就初次系统的研究了纤维作为改性添加材料来改善沥青路面的抗反射裂缝的性 能9。就目前来讲，在改性沥青的发展研究方面比较领先的国家重要是美国、德国、法 国、加拿大、奥地利等国家。在国内，其实改性沥青这一块的起步也相对比较早。在上世纪 60 年代，就有人尝 试着把硫磺添加到渣油中以使其达到变稠的目的，并且在位于大西北环境比较恶劣的酒 泉市也修建了这种通过简朴解决改性的渣油路面。在上世纪 70 年代，人们开始慢慢尝 试着添加废橡胶粉在低温稳定性方面对多蜡沥青进行改善10。但由于当时国内的车流量 相对目前比较小，并且轴压也比目前低诸多，交通运送方面发展比较落后，自然老式沥 青路用的各项性能不好的问题就没能得到人们足够的注重，在改性沥青的发展研究方 面，自然也就相对比较缓慢。但随着后来改革开放的到来，国民经济有了迅速的发展， 交通运送也开始迅速发展，这就规定我们建设各项路用性能更好的沥青路面。在进入 803年代后来，特别是 90 年代以来，随着更高规定的公路、特别是高速公路方面的大力快 速的发展，为了适应高规定公路建设的需求，聚合物改性沥青在国内得到了迅速奔腾式 的发展。在考虑国内具体国情的状况下，借鉴国外某些先进的有关研究成果，并吸取相 关经验和教训，进行了进一步开发研究并大力推广，聚合物作为改性剂的改性沥青，特别 是 SBS 改性沥青在实际工程中的应用已获得了很大的成果11。1.2.2 纤维沥青混合料的研究现状在国外，在纤维沥青混合料的相对较早，在 1956 年，就有有关研究人员建议在沥 青混合料加铺层下铺设某些金属网，并且也做了有关实验，探究这样与否可以制止反射 裂缝的发生。其中较为有代表性的研究人员就是 zube，在有关研究基本之上，她还指出 如果其他的金属网加铺在沥青混合料加铺层下，基本上都能在沥青混合料的纵向的开裂 变形方面有较好的延缓或者制止效果，她还建议在同等条件下如果在达到同样的性能要 求时，加设某些金属网到沥青混合料的加铺层下，就可以在一定限度上节省沥青的用量 减薄相对沥青层的厚度。尚有就是在 1960 年，在改性沥青方面研究也相对较早的加拿 大，其中多伦多大学的 Davis 也在其刊登的有关文章中，第一次系统的研究了纤维被作 为改性添加材料来提高改善沥青混合料路面的抗反射裂缝的性能。在 1961 年 Tons 和 Egons 也在通过在沥青混合料中添加金属丝网方面产生了类似想法，并在公路有关研究 公报上提出了某些在沥青加铺层中添加金属织物来改善沥青混合料路用性能的思想。虽 然这种活跃的思想见解比较好，有较好的价值，但另一方面来讲，这种加强金属丝网及 一般的棉质纤维也存在其自身不利的一面，即它们在外界不利环境作用下很容易发生腐 蚀等一系列破坏现象，自然这也就很大限度上影响了它们的使用寿命12。在 1962 年 TamburroD.A.尝试着把石棉纤维加入到沥青混合料中，并在一定限度上系统地研究分析 了石棉纤维对沥青路面各项路用性能的影响。在法国，从 70 年代开始有关科研人员就 对加入纤维改性剂后的沥青性能进行了实验研究，其中所使用较多的有天然石棉、玻璃 纤维等细而短的矿物纤维，使用相对较少的是部分有关的有机质纤维13。无独有偶，同 样是由于某些自身的不利的影响，特别是会对环境导致很大的污染，到 20 世纪 80 年代 初，石棉纤维基本被禁用使用，进而某些诸如木质素纤维、聚合物纤维等相对天然无污 染的或者污染较小的纤维得到了更多的关注、更好的发展及普遍的应用。1996 年，Smanaos 和 esarfss 简介了 AAPT 运用低温直接拉伸、回弹模量、疲劳抗 力实验、抗车辙能力等手段措施对木质素纤维改性沥青、玻璃纤维改性沥青、矿物纤维 改性沥青、石棉网纤维改性沥青进行了评价，并开展有关的研究14。第一项研究表白: 在一定相似轴载作用后，纤维改性沥青混合料保持的空隙率要比非改性和两种橡胶改性 的沥青混合料的空隙率高。第二项研究表白，在已经浮现疲劳开裂迹象的路面上加铺纤 维改性后的沥青混合料，虽然通过一定次数的荷载的作用，成果发现纤维沥青混合料依4然具有相对较好的微观构造。最后一项研究是把纤维改性沥青混合料加铺在已经疲劳的 路面上，在一定次数的荷载作用之后，获得了较好的实验成果，不像未改性之前损坏很 明显那样，纤维改性后的沥青混合料没有体现出车辙或者疲劳有关的损害。1999 年，美国的密西根技术大学对纤维改性沥青混合料的性能进行了二阶段的研 究。一重要是做了纤维改性沥青混合料特性方面的研究，并测定了其特性；二重要任务 是更好的理解及拟定哪些重要因素影响着混合料的特性，其重要研究的是碳纤维改性沥 青混合料。实验研究表白: 由于碳纤维所具有的高抗拉强度，沥青混合料的低温抗开裂 能力得到了一定的改善，同步其抗疲劳性能也得到了改善，其直接因素是混合料的抗永 久变形的能力得到了提高。另一方面，Fitgzeard 也在碳纤维改性方面开展了一定的研 究，有关研究成果显示:加入碳纤维的沥青有关力学性能得到了改善提高，进而可以建 设使用时间更长、耐久性更好的沥青混合料路面。Bueno 等有关科研人员通过有关实验， 在冷拌密级配沥青混合料中加入乱向合成纤维后，其对沥青混合料的空隙、流值、密度、 稳定度、弹性回弹模量等特性的影响15。Cooley 等研究人员评价了在开级配沥青混合 料中加入木质素纤维后的应用，成果表白在运送和摊铺过程中，添加了木质素纤维后的 沥青混合料的上下移动受到了很大的阻碍，同步混合料的性能也得到了很大改善。在国内，为跟上时代科技潮流满足大力发展交通的需求，国内也在大力研究发展纤 维改性沥青。在上世纪 90 年代中后期，随着沥青玛蹄脂碎石混合料的引入16，把某些 具有较好分散作用和稳定作用的纤维加入到沥青混合料中得到了较好的发展，慢慢人们 开始越来越注重某些增强纤维的重要作用。就在 年张洁等有关科研人员对两种加 强筋软纤维进行了研究，并简介其应用于沥青混凝土路面和混凝土路面17。她们根据相 关工程案例和纤维混凝土及纤维沥青混凝土在中国的应用报告，并通过对不同类型软纤 维的比较，阐明了起加强筋作用的软纤维作为一种新型的路面添加材料的重要性和将来 的发展前景。1992 年上海同济大学的李立寒转译了有关纤维沥青混合料的一篇文章,该 文在最佳油石比方面对比了未加纤维的沥青混合料和添加纤维之后的沥青混合料的不 同,并在其水敏感性和抗拉性能研究方面通过有关实验研究了纤维自身某些因素对沥青 混合料性能的影响。同济大学的黄彭等有关研究人员分析了加入木质素纤维后来，木质 素纤维对有关沥青混合料使用性能的奉献18。沈阳建筑工程学院的郭乃胜等人在纤维改性后的沥青低温抗裂性方面的性能进行 了研究，其实验中添的纤维是聚酯纤维，成果显示:加入聚酯纤维后沥青路面的低温抗 裂性能得到了一定的提高改善，另一方面沥青混合料的劲度模量和劈裂强度也得到了很 大的提高加强19。河北工业大学史建方阳在纤维改性这方面也做了某些研究，她通过车 辙实验、马歇尔实验等某些有关典型实验，探究了加入软纤维后的沥青混合料的性能， 同步其在纤维的有关作用和机理方面也进行了某些探讨。通过实验研究的成果表白：添 加增强纤维后的沥青混合料的性能发生了变化，其低温、高温及抗疲劳等性能一定限度 上得到了较好的改善与提高20。5长安大学的陈华鑫同样在有关研究的基本之上，通过马歇尔实验、弯曲蠕变实验、 冻融劈裂等有关实验对添加六种纤维后的沥青混凝土路面的性能进行了研究，研究成果 表白，加入纤维后混合料路用性能得到了一定限度上的改善，纤维的添加对沥青混合料 的性能有着积极有利的影响21。同为长安大学的孙立兵等人通过冻融实验、低温弯曲试 验、残留稳定度等实验等实验评价了未添加纤维和添加木质素纤维的沥青混合料的有关 性能做了某些研究22。实验研究成果表白，添加纤维喉的沥青混合料的水稳定性、低温 性能、高温性能及抗疲劳性能的到了一定的改善。上述有关纤维沥青混合料路用性能的研究成果表白，添加纤维可以改善提高沥青混 合料的路用性能，且由于加入纤维后的沥青混合料的施工工艺比较简朴，同步也不用增 加额外的设备，具有较好的应用前景。1.2.3 剑麻纤维的研究现状目前,由于矿物纤维和人工合成纤维不具有环保、绿色、经济等优势，有关纤维的 研究也在慢慢转移方向。目前有关科研人员等已经开始大量研究把矿物纤维和人工合成 类纤维用来源比较充足的植物纤维来替代，然后再掺加到沥青混合料中，以探寻添加相 关植物纤维后的沥青混合料各方面性能的提高改善状况，来谋求更加环保、绿色、经济、 节能的新型纤维沥青混合料。自然，作为本文的重要研究对象由于具有耐摩擦、耐低温、 质地比较坚硬、并且富有弹性、拉伸强度高等特点，作为植物纤维之一的剑麻纤维是目 前研究比较多的纤维23。同步相比其他类别植物纤维,它还具有耐腐蚀、色泽洁白、纤 维长、耐酸碱性等诸多特性。剑麻属于麻类植物中的龙舌兰类，也是单子叶植物中近年生的一种。剑麻纤维是一 种新型增强材料，每一根剑麻纤维束都是由几百根互相平行的管形状的单纤维构成，而 单纤维是由细胞组合而成，细胞壁是由成螺旋型的结晶性微纤通过复合而构成，其中大 部分是纤维素。另一方面重要的是剑麻纤维取自天然植物剑麻的叶片表面，且具有相比 其她纤维较好的韧性、抗拉强度、耐腐蚀等优良性能，属于天然可再生资源，取用以便 并且价格相对低廉。华南理工大学杨之礼等有关科研人员运用现代化的分析手段观测了剑麻纤维的形 态构造，并测定了纤维的某些有关尺寸，重要有剑麻单纤维细胞壁的厚度、单纤维长度 及宽度24。实验成果是剑麻单纤维细胞壁平均厚度是 4.6um ，单纤维平均长度及宽度 较大分别是是 113um 、19.05um。由于剑麻纤维具有的极限拉伸强度、伸长率、模量及 韧性相对较高，故剑麻纤维具有相对较高的强度与刚度。同步由于剑麻纤维的构成成分 中，有非结晶的成分及结晶的成分，故在剑麻纤维受到外界张力作用时，其便会体现出 某些粘弹材料的特性，当应力继续增长时，其粘弹性就体现的更加突出。杨桂成等有关人员重要研究了热解决对剑麻纤维的影响。她们研究发现通过 2006如下的热解决时剑麻纤维的有关化学构造基本上保持不变，然而结晶度和密度却有一定 的提高；她们的科研小组还通过制备剑麻纤维/不饱和聚酯复合材料进行了研究，成果 显示复合材料制品不仅具有优良的耐水性能并且还具有较高的强度；她们还对由玻璃纤 维、剑麻纤维和聚氯乙烯混杂而成的复合材料做了有关研究，成果显示混杂复合材料在 冲击强度和弯曲模量方面存在着正的混杂效应.虽然以上研究都获得了较好的实验成 果，但在改善纤维和树脂之间的界面研究方面，她们也对比分析了通过诸多改性措施处 理后的剑麻纤维聚氯乙烯复合材料，都未能达到抱负的效果25。徐欣等研究人员探讨了剑麻纤维通过改性预解决再应用到摩擦材料中，成果发现， 一方面提高了纤维自身的力学性能，纤维素的结晶度以及含量也得到了提高，另一方面 树脂和剑麻纤维的截面得到了改善，与解决后的剑麻纤维的比表面积有所增长.并且加 入预解决的剑麻纤维制成的复合材料的摩擦系数相对适中，同步其摩擦系数随温度变化 比较小，显示出了在摩擦材料中应用剑麻纤维替代石棉纤维的的也许性26。目前，剑麻纤维的应用已非常广泛，除以上提到的之外，其还大量用于制造纤维制 品（剑麻布、剑麻地毯等）、天然产物原料（剑麻核酸、剑麻皂素等）、生物工程（诱导 蛋白酶）、工业工程（增强酚醛塑料、造纸等）27。1.3 本文研究的重要内容尽管目前应用很非常广的 SBS 改性沥青相比较原有基质沥青其各项性能都已有所改 善，但在现实生活中其还是存在一定的局限性，其各项路用性能尚有进一步提高的空间 及需求。本研究重要运用我区盛产的剑麻废料纤维做增强材料，以沥青、石料为基材组 成混合料材料，来进一步研究添加了剑麻纤维之后的 SBS 改性沥青混合料的各项路用性 能，重要研究内容如下：（1）剑麻纤维基本参数研究 选用我区盛产的剑麻废料作为增强纤维，测定剑麻纤维的基本参数。（2）剑麻纤维 SBS 改性沥青混合料路用性能研究 目前来讲，国内外对纤维改性后的沥青混合料的研究比较多，如聚酯纤维、聚氯乙烯纤维等化学合成纤维类改性沥青混合料，剑麻纤维、木质素纤维等天然纤维类改性沥青混合料。实验研究也都证明了纤维的掺加对维沥青混合料的路用性能有较大的改善提 高28。而本研究与之前诸多研究有所不同，本研究采用的沥青是 SBS 改性沥青，研究加 入剑麻纤维后对 SBS 改性沥青混合料水稳定性、低温抗裂性、高温性能等性能的影响， 其路用性能与否能得到进一步提高。（3）不同纤维类型的 SBS 改性沥青混合料性能比较在本研究的实验过程中考虑到如果剑麻的加入可以进一步提高 SBS 改性沥青混合料7的水稳定性、低温抗裂性、高温性能等路用性能，那剑麻纤维与否可以替代价格较贵些 的木质素纤维。故在采用了使用同一级配的集料，研究在不掺纤维、掺剑麻纤维的基本 之上，还增长了掺加木质素纤维的 SBS 改性沥青混合料作为对比研究。（4）剑麻纤维掺量对 SBS 改性沥青混合料的影响 在本研究的实验过程中如果剑麻的加入可以进一步提高 SBS 改性沥青混合料的水稳定性、低温抗裂性、高温性能等路用性能，并且剑麻纤维可以替代价格较贵些的木质素纤维。那在此基本之上，剑麻具体需要多少掺量才较好或者剑麻掺量与 SBS 沥青混合 料性能的改善有什么样的关系。故本文又对几种不同剑麻掺量的 SBS 改性沥青混合料的 性能做了某些研究。1.4 本文研究的技术路线针对上文所提的具体研究内容，重要研究技术路线如下：（1）广泛收集国内外有关纤维特别是剑麻纤维复合材料的研究资料。（2）在有关资料基本之上，采用室内实验的措施，开展实验研究。（3）在有关实验基本之上，分析剑麻纤维对 SBS 改性沥青混合料的路用性能影响； 比较不同剑麻纤维掺量的沥青混合料路用性能的变化；比较加入不同纤维类型的沥青混 合料的路用性能。（4）分析实验研究成果，得出相应结论。收 集 资 料室 内 试 验试 验 结 果 分 析得 出 结 论图 1.1 技术路线流程图8第 2 章 剑麻纤维在沥青混合料中的作用机理2.1 纤维在沥青混合料中的作用机理上文提到了，目前国内外诸多有关的科研人员都已经对加入纤维后的沥青混合料进 行了大量的研究，有关的实际研究成果表白，当在沥青混合料中添加多种纤维之后，发 现纤维对沥青混合料的各方面路用性能的确有较好的改善与提高作用。产生这种较好效 果的因素，重要是当纤维加入到沥青混合料中之后，纤维起到了一种特殊的综合的加筋 作用，就像我们生活中常用的在混凝土中加入钢筋之后，其整个构造的抗拉强度、抗裂 强度都得到了较好的改善，较素混凝土有很大的提高。而不再像基质沥青混合料那样， 基本上是一种依托沥青粘聚在一起的简朴的散料组合体，其进而可以在一定限度上承受 较大的拉应力作用，未加纤维的基质沥青混合料是基本不能承受或只能承受较小的外界 拉应力作用。另一方面，加入到沥青混合料中的纤维和沥青胶浆之间尚有一定的粘结作 用，而这种粘结作用又可以在沥青混合料受到外界拉应力作用时，将混合料所承受的大 部分拉应力传递给纤维来承受，再加上纤维在沥青混合料中是立体式分散存在，这样就 产生了更好的加筋粘结效果。目前，所做的有关纤维沥青混合料的大部分研究都是基于 纤维增强复合材料的有关理论之上，然后根据纤维沥青混合料的特点，进而对纤维沥青 混合料的有关作用机理进行分析研究，重要理论观点有如下几种29：(1)复合材料理论根据复合材料的有关理论，混合料中的各相的体积率、各相之间的互相作用行为和 各相自身特性等决定着纤维沥青混合料的性能，由于纤维沥青混合料是一种多相体系， 并且其多种构成材料均为一相。可以看出，使用这种复合材料理论虽然在分析研究材料 的构造、构成及其性能之间的某些相应关系上，可以很以便的运用多种不同类型的有关 复合材料的模型，但其也存在着一定的局限性之处，最为重要的就是复合材料的模型选择 和多相复合体性能组合之后有什么样的变化有很大的关系。因此，在运用这种复合材料 理论之时就需要分析对比研究诸多东西，进而就产生了较大的工作量。(2)构造层次理论根据材料方面有关知识可知，材料一般状况下可以分为三个层次，其中涉及微观层 次、细观层次和宏观层次。基于这种说法，进而也可以从微观构造层次、细观构造层次 和宏观构造层次三个方面来对沥青混合料进行分析研究。微观层次理论觉得材料有明显 的粒子特性，其既不均匀，也不持续。并且只能是原子或者分子构成相应材料的构造单 元，这种原子或者分子之间又产生着一定的力学作用，这种力学作用也是非常重要的。 而细观层次理论觉得可以通过一定的力学模型，然后对所得数据进行记录分析进而研究 得到所有构成整体的各单元的性质，这种构成单元又可以借助电子显微镜进行观测到。9同步还指出具有一定构造性和不均匀性的纤维沥青混合料的宏观应力和宏观应变，就是 均匀场代表体单元中的平均应力和平均应变，可以通过相应计算得到。最后是宏观构造 层次，不同于以上两者，宏观层次理论觉得由宏观构造单元所构成的纤维沥青混合料具 有较好的持续性，并且这种宏观单元必须不小于一定的尺寸，纤维沥青混合料是一种持续 均匀的材料。同步该理论指出材料的有关破坏状况正是通过这些宏观单元来进行研究。(3)断裂力学观点 断裂力学有关理论觉得材料在外力作用下的破坏事实上是一种材料的裂缝不断慢慢扩展并最后导致断裂的过程，并且这个过程是一种慢慢耗能的过程，还指出这是由于 任何材料都存在一定的先天构造上的缺陷。而添加纤维改性后的复合材料的断裂很也许 会通过界面分离、纤维拉断及拔出等方式进行，从某种意义上讲，这个过程所需要耗散 的能量就会更多，进而可知纤维在复合材料中之因此能提高改善其某方面的性能，重要 是通过间隔阻裂所起的作用。基于此，当纤维添加到沥青混合料中之后也起到了较好的 阻裂功能。虽然这样，断裂力学的理论在纤维改性上的应用也有很大的局限性，这是由 沥青混合料自身是一种粘弹塑性材料的性质所决定的，固然这可以通过某些有关的前期 工作、实验条件及后期解决方面进行解决。(4)界面理论 界面理论中重要分析考虑到的有化学键合伙用、浸润吸附理论、扩散作用等，从界面化学理论来看，纤维沥青混合料之中的各相构成材料都是由各相之间的界面结合而最 终成为一种整体的。另一方面，这种结合伙用能力的强和弱又很大限度上取决于它们之 间的界面自由能，事实上加入纤维后的老式沥青混合料的性能之因此可以得到加强，就 是由于纤维变化了其各相界面之间的作用效果。其中用的相对比较多的是第四种即界面理论，纤维沥青混合料可以看做是由作为增 强体的纤维和作为基体的沥青混合料两种不同性质的成分构成，而界面就是在这些多种 构成成分复合的过程中产生的。在纤维增强复合材料中，作为增强体的纤维和基体都保 持着它们自己独有的物理和化学特性，但是由于两者之间存在着界面，这就使得复合材 料组合并产生了崭新的独特的有关力学性能。可以看出，对于纤维沥青混合料来讲，界 面是一种非常重要的微构造，是纤维沥青混合料之核心所在，其在联系纤维和沥青混合 料方面起着特殊纽带的作用，同样其在发挥各组分性能的限度和纤维沥青混合料的最后 性能方面都起着非常重要的作用。所谓的复合材料的界面，其实际存在于复合材料中并不是厚度极其薄的甚至为零的 一种假设的理论研究的二维面，而其是一种非常复杂多变的一种界面或者叫界面相并具 有一定的厚度。同步，这种所谓的在能量、形态、构造和成分上都与本体有很大差别的 界面相，对于不同的复合材料体系来讲，其界面相也是不尽相似的。也正是界面相这种 特殊的构造与性质，才不断的吸引着无数学者的爱好。人们通过大量的实验与不懈的努 力，始终不断地对复合材料进行着由浅入深的研究，功夫不负有心人，目前有关学者已10经提出了诸多种复合材料有关的界面理论，比方说非常有代表性的：化学键理论、浸润 理论、扩散理论、过渡层理论、啮合理论等。然而尽管有大量实验和理论基本为根据， 但在这方面的研究尚有待提高与加强，认知还是有很大的提高空间。如下将对这几种常 见的界面理论作下简朴的论述：化学键理论,这一界面理论是广泛被人们所接受的理论， 进而其应用也是最多效果最佳的一种理论。它是从化学键角度对复合材料内部界面进行 分析研究，其中谈到的较多的就是两相之间通过活性基团进行化学反映。并且通过这样 的化学反映所形成的界面是具有比不存在化学反映所形成的界面的粘结强度要大得多。 正是基于此，本文所采用的剑麻纤维也就通过了碱性预解决，以使其表面产生大量的活 性自由基，以达到更好的实验效果；浸润理论,提出于 20 世纪 70 年代，其指出浸润作 用是界面粘结强度非常重要的影响因素，两界面之间良好的浸润效果可以较好地提高断 裂能；扩散理论，这种理论有很大的局限性，其觉得界面之间粘结强度取决于分子扩散 和分子间的互相作用；过渡层理论，即觉得把界面看做是一种复合材料内部在增强体和 基体之间的一种过渡层。一种见解是这个过渡层是起到松弛作用的柔性层，另一种觉得 其是一种传递内里的非柔性层；啮合理论，其实这种理论是依赖于较好的浸润效果之上 的，进一步强调固体表面的围观粗糙限度及外形是界面粘结强度非常重要的影响因素。在以上理论基本之上，国内诸多专家学者也对纤维在沥青混合料中的作用机理进行 了大量的研究，如：东南大学的博士封基良就在其有关沥青混合料的改性机理及其性能方面的论文中 提到纤维沥青混合料的增强机理，并概述了纤维复合材料的增强机理研究现状30。纤维 在沥青混合料中的作用重要有：吸附作用、加筋作用、稳定作用、增黏作用、阻裂作用 及增韧作用。提到了界面理论中的化学键合伙用、浸润吸附理论、扩散作用、弱界面层 理论、静电作用理论、机械作用、变形层理论、有限吸附理论。还列举了断裂力学理论 中的断裂力学模型，如：应力强度因子模型、能量模型、增韧力学模型、纤维间距增强 理论，并将这些理论应用于纤维沥青混合料作用机理的研究。东北大学资源与土木工程学院的袁启东也在其有关机理研究的论文中进行了对木 质素纤维作用机理的分析。其重要是从界面理论方面分析研究了木质素对沥青改性的作 用机理，一方面简介了木质素纤维对沥青的吸附作用，然后论述分析了木质素纤维的稳定 作用。由于在通过一定解决后，木质素纤维自身具有非常小的直径，并且在添加到沥青 中之后又可以较好地均匀地分布在其中，这样虽然当使用量不大但相对较庞大的木质素 纤维就可以在沥青基体内形成较好的纤维空间网。而这样的木质素纤维空间网络就可以 吸附更多地自由沥青，进而自由沥青的数量就相对减少诸多，构造沥青的数量也就随之 增长。最后使得沥青胶浆的粘性有相称得增长，进而再高温条件下时沥青的劲度下降的 幅度也就会相应减小诸多，混合料的温度稳定性也就得到了大幅度地提高31。同步她还 分析了木质素纤维具有较好的纤维稳定剂的作用，同样条件下，在使用稠度相对较低的 沥青时，就可以一定限度上减少路面底纹裂缝的浮现，即有助于提高沥青路面低温稳定11性。最后她还在纤维阻裂作用方面对木质素纤维进行了分析，