Constr. Build. Mater.：實驗室制備纖維素納米纖維作為添加劑對瀝青結合料和混合料性能的影響

DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.122922

近年來，社會各界在以環保、可持續材料替代不可再生材料方面已采取了重大舉措。本研究旨在采用可擴展的方法進行纖維素納米纖維（CNF）的實驗室制備，并評估將其作為可持續植物基瀝青添加劑以改善瀝青路面的力學性能和耐久性的可行性。為了實現這一目標，采用靜電紡絲技術在實驗室制備了CNF。使用掃描電子顯微鏡研究了所制備CNF的結構、形態和尺寸分布。另外，在實驗室生產的CNF上進行了兩個垂直方向的拉伸強度測試。通過沖擊試驗和旋轉粘度計測試，分別評估了在PG58-28、PG64-34和PG70-28三種類型的瀝青粘合劑中摻入不同量的CNF對粘合劑混合物的斷裂能和動態粘度的影響。此外，通過粘合強度試驗評估了粘合劑中CNF用量對其與三種不同礦物學骨料的粘附性和水分誘導脫粘性能的影響。通過半圓彎曲試驗、Hamburg輪跡試驗和抗拉強度比試驗，研究了CNF摻入對瀝青混合料開裂、車轍和水損害的影響。對瀝青結合料和混合料進行的試驗表明，摻入CNF后，結合料-骨料的附著力得到了全面改善，瀝青結合料具有更高的斷裂能和動態粘度，瀝青混合料具有更高的抗車轍、抗裂和抗水損害性。

圖1.工作流程和測試基質。

圖2.靜電紡絲裝置的示意圖。

圖3.將CNF與粘合劑混合的過程。

圖4.瀝青混合料的混合骨料粒度分布曲線。

圖5.CNF的樣品制備和測試：（a）在鋁收集器上靜電紡絲CNF，（b）從收集器上取下CNF，（c）沿其長邊折疊樣品，（d）折疊而成的2層CNF纖維氈，（e）4層纖維氈，（f）切割成16cm長和2cm寬的樣品，（g）稱量樣品，（h）在MTS Insight 5加載框架中測試CNF樣品。

圖6.沖擊試驗懸臂梁制備：（a）制成的鋁模，（b）組裝好的模具；（c）將液態瀝青倒入模具中，（d）測試梁，（e）使用槽口模板和熱刀片創建槽口，（f）測試帶凹槽的梁。

圖7.懸臂梁式沖擊試驗：（a）懸臂梁式試驗設備的組件，（b）用臺鉗夾住測試梁，（c）測試后破裂的樣品。

圖8.BBS測試：（a）組件，（b）正在進行的BBS測試，（c）內聚失敗，（d）粘合失敗。

圖9.實驗室生產的電紡CNF的SEM圖像：（a）CNF基質，（b）CNF絲。

圖10.實驗室生產的電紡CNF直徑的概率分布。

圖11.抗拉強度測試結果：（a）在x和y方向上對兩種CNF樣品進行典型力-應變試驗，（b）在X和Y方向上測試CNF樣品斷裂時的平均抗拉強度和平均應變值。

圖12.在137和167℃下測量含0、0.3和0.7％CNF的PG 58-28、PG 64-34和PG 70-28粘合劑混合物的動態粘度值。

圖13.摻有不同量CNF的粘合劑的平均斷裂能值。

圖14.含0、0.3和0.7％CNF以及花崗巖的粘合劑混合物的平均POS和PSR值。

圖15.在花崗巖BBS樣品和不同粘合劑混合物中觀察到的失效機理。

圖16.含0、0.3和0.7％CNF以及石英巖的粘合劑混合物的平均POS和PSR值。

圖17.在石英巖BBS樣品和不同粘合劑混合物中觀察到的失效機理。

圖18.含0、0.3和0.7％CNF以及礫石的粘合劑混合物的平均POS和PSR值。

圖19.在礫石BBS樣品和不同粘合劑混合物中觀察到的失效機理。

圖20.不同瀝青混合料的臨界應變能釋放速率（Jc）。

圖21.瀝青混合料在不同輪子通過次數下的車轍深度。

圖22.干燥和濕潤樣品的ITS和TSR值。