江苏建筑
2007年第
5期
(总第
115期)
54
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 投票箱制作
，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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5期
(总第
115期)
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，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。高苯乙烯橡胶
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
数控剪床
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
56江苏建筑
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5期
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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。蓝牙移动
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
胶管缠绕机，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
，滚压刀具
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
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