速生草植物纖維瀝青混合料路用性能研究

聶思宇,李 泉,李 佩,吳慶定,劉克非

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 南方綠色道路研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，運(yùn)輸車(chē)輛的大型化、超載現(xiàn)象日漸增多。為了滿足重載交通對(duì)瀝青路面路用性能日益增長(zhǎng)的需求，在瀝青混合料中摻加纖維以改善其路用性能得到了廣泛認(rèn)可。纖維在被摻入瀝青混合料后可起到加筋、吸附、分散、穩(wěn)定、增黏的作用，進(jìn)而有效改善瀝青混合料的各方面性能[1]。

當(dāng)前，廣泛應(yīng)用于瀝青混合料的纖維有木質(zhì)素纖維、礦物纖維、聚合物化學(xué)纖維3大類(lèi)[2]，而木質(zhì)素纖維因其所具有的價(jià)格優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用最多。此前，陳華鑫、張爭(zhēng)奇[3]等采用沉錘試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)等對(duì)多種纖維改性瀝青膠漿進(jìn)行了系統(tǒng)研究與分析，指出在拌制瀝青混合料時(shí)需根據(jù)纖維的比表面積等參數(shù)適當(dāng)增加瀝青用量以滿足瀝青裹覆纖維的需要。楊彥海[4]等通過(guò)在SMA-13瀝青混合料中摻入木質(zhì)素纖維，并與3種礦質(zhì)纖維瀝青混合料路用性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，明確了4種纖維在SMA-13瀝青混合料中的最優(yōu)摻量。劉忠彥[5]等將沙生灌木纖維應(yīng)用于瀝青混合料中，并得出沙生灌木纖維可以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗開(kāi)裂性、水穩(wěn)定性以及耐疲勞性的結(jié)論。ZHANG[6]等研究了纖維改性瀝青瑪蹄脂混合料的流變行為及補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)纖維的增強(qiáng)效果良好，可在高應(yīng)力水平下使瀝青膠漿的蠕變恢復(fù)率顯著增大且蠕變殘余值減小。HOSSEIN[7]等的研究結(jié)果表明纖維的微纖化水平越高，其分布越好，對(duì)應(yīng)的改性瀝青混合料高溫抗車(chē)轍性能越強(qiáng)。纖維的分布水平和狀態(tài)對(duì)瀝青混合料模量及疲勞性能影響較小。SHENG[8]等評(píng)估了竹纖維改性瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明竹纖維具有比聚酯纖維和木質(zhì)素纖維更好的改性作用，且熱穩(wěn)定性良好。

從使用性能來(lái)看，礦物纖維與聚酯纖維吸油性能差、價(jià)格昂貴，而價(jià)格相對(duì)低廉的木質(zhì)素纖維雖具有比表面積大、吸油性能好等優(yōu)點(diǎn)，卻需要消耗大量的森林資源。這些因素都不利于在規(guī)模快速增長(zhǎng)的道路基礎(chǔ)建設(shè)中大范圍應(yīng)用纖維穩(wěn)定劑，因此，采用速生草開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉、生態(tài)環(huán)保的路用植物纖維及其應(yīng)用技術(shù)對(duì)促進(jìn)我國(guó)瀝青混合料路面鋪裝普及、提高工程性能、降低工程造價(jià)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。

本文將從毛竹中抽提出的速生草纖維摻入瀝青混合料中，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證其力學(xué)、高溫、低溫、老化等性能，并進(jìn)行木質(zhì)素纖維的平行試驗(yàn)，對(duì)速生草基纖維瀝青混合料的路用性能進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

a.瀝青。

本文中采用的瀝青為SBS改性瀝青，產(chǎn)自岳陽(yáng)長(zhǎng)煉，其基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table1 TechnicalindexesofSBSmodifiedasphalt軟化點(diǎn)/℃針入度(25℃)/0.1mm延度(5℃)/cm相對(duì)密度/(g·cm-3)TFOT薄膜加熱試驗(yàn)(163℃,5h)質(zhì)量變化/%針入度比/%殘留延度(5℃)/cm81.148.237.11.030-0.0179.024

b.礦質(zhì)集料。

粗集料采用玄武巖碎石，細(xì)集料采用石灰石屑，礦粉采用石灰石粉末，各集料具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2～表4。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)Table2 Technicalindexesofcoarseaggregate試驗(yàn)指標(biāo)壓碎值/%洛杉磯磨耗值/%磨光值/%表觀相對(duì)密度/(g·cm-3)吸水率/%針片狀顆粒含量/%9.5～16mm4.75～9.5mm9.5～16mm4.75～9.5mm9.5～16mm4.75～9.5mm試驗(yàn)結(jié)果9.510.8512.952.960.550.784.711.3技術(shù)要求≤20 ≤24 ≥42 ≥2.6≤2.0≤10 ≤15

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)Table3 Technicalindexesoffineaggregate表觀相對(duì)密度/(g·cm-3)砂當(dāng)量/%棱角性/s試驗(yàn)結(jié)果2.857247技術(shù)要求≥2.5≥60≥30

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table4 Technicalindexesofmineralpowder表觀相對(duì)密度/(g·cm-3)含水量/%塑性指數(shù)親水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果2.690.43.80.6技術(shù)要求≥2.5≤1<4<1

c.級(jí)配。

SMA-13瀝青混合料礦料級(jí)配見(jiàn)圖1。

圖1 SMA-13 型瀝青混合料級(jí)配曲線

d.纖維。

試驗(yàn)所用速生草纖維主要成分為毛竹，實(shí)驗(yàn)室自制；木質(zhì)素纖維為四川能高威科技有限公司生產(chǎn)的顆粒狀木質(zhì)素纖維。圖2、圖3分別為速生草纖維與木質(zhì)素纖維的外觀形貌圖。

圖2 速生草纖維外觀形貌

圖3 木質(zhì)素纖維外觀形貌

各纖維基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 纖維基本技術(shù)指標(biāo)Table5 Basictechnicalindexesoffibers檢驗(yàn)項(xiàng)目速生草木質(zhì)素技術(shù)要求纖維長(zhǎng)度/mm<5.5<6≤6粒度組成%通過(guò)0.85mm篩占92%;通過(guò)0.425mm篩占63%;通過(guò)0.106mm篩占28%灰分/%16191513.218±5pH7.77.17.37.27.5±1.0含水率/%4.74.54.34.8≤5耐熱性(熱失重率)/%5.35.75.5吸油率/倍9.27.3不小于纖維質(zhì)量的5倍纖維相對(duì)密度(25℃)0.9430.897實(shí)測(cè)

1.2 試樣制備

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)制備試件驗(yàn)證各纖維瀝青混合料的路用性能。制備馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)試件時(shí)采用雙面擊實(shí)75次，制備凍融劈裂試驗(yàn)試件時(shí)采用雙面擊實(shí)50次。制備車(chē)轍試驗(yàn)試件采用300 mm×300 mm×50 mm的板塊試模成型，使用輪碾機(jī)進(jìn)行12次往返碾壓。靜壓法成型試件時(shí)采用φ100 mm×180 mm的試模。低溫彎曲試驗(yàn)時(shí)將車(chē)轍板試件切割成250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體小梁試件。

1.3 試驗(yàn)方案

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試馬歇爾穩(wěn)定度采用(60±1)℃恒溫水槽保溫30～40 min，加載速度為(50±5)mm/min。測(cè)試浸水馬歇爾穩(wěn)定度時(shí)在(60±1)℃的恒溫水槽中持續(xù)保溫48 h。凍融劈裂試驗(yàn)中，真空度為97.3～98.7 kPa，冷凍溫度為-(18±2)℃，恒溫水槽分別為(60±0.5)℃和(25±0.5)℃。車(chē)轍試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，往返碾壓速度為(42 ±1)次/min。測(cè)試低溫彎曲性能時(shí)，棱柱體小梁置于-10 ℃冰箱中保溫不少于45 min,試驗(yàn)速率采用50 mm/min。老化試驗(yàn)中，短期老化溫度與時(shí)間分別為(135±3)℃、240±5 min，并每小時(shí)進(jìn)行一次翻拌，長(zhǎng)期老化溫度與時(shí)間分別為(85±3)℃、(120±0.5)h。具體試驗(yàn)方案與測(cè)試方法見(jiàn)圖4。

圖4 各纖維瀝青混合料路用性能研究試驗(yàn)方案圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 纖維最佳摻量與混合料最佳油石比

各瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

根據(jù)規(guī)范要求，確定混合料在馬歇爾試件目標(biāo)空隙率為(4±0.2)%的前提下，結(jié)合其他指標(biāo)確定木質(zhì)素纖維瀝青混合料的最佳油石比為5.9%。同時(shí)，依據(jù)同樣方法確定速生草纖維的最佳摻量為0.4%，混合料最佳油石比為6.5%。由表6數(shù)據(jù)可知，速生草植物纖維的用油量更大，這是由于速生草纖維的吸油率明顯大于木質(zhì)素纖維。從馬歇爾穩(wěn)定度結(jié)果來(lái)看，速生草纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度值比木質(zhì)素纖維瀝青混合料低3.4%，其可能原因是木質(zhì)素纖維的拉力強(qiáng)度高于速生草纖維[9]。

2.2 高溫穩(wěn)定性

各纖維瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，速生草植物纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比木質(zhì)素纖維瀝青混合料低12.8%，表明其高溫穩(wěn)定性低于木質(zhì)素纖維瀝青混合料，但仍遠(yuǎn)高于規(guī)范對(duì)炎熱地區(qū)的技術(shù)要求。造成這一結(jié)果的原因可能是[9-11]：① 由于速生草纖維有著比木質(zhì)素纖維更高的吸油率，被纖維表面吸附的部分瀝青沒(méi)有成為有效瀝青。當(dāng)溫度上升(60 ℃)時(shí)，瀝青軟化后降低了其對(duì)石料的粘結(jié)力。② 室內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明速生草纖維本身的拉力強(qiáng)度低于木質(zhì)素纖維，故在被摻加入瀝青混合料時(shí)沒(méi)有起到比木質(zhì)素纖維更好的加筋作用。

表6 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Table6 Marshallstabilitytestresults纖維種類(lèi)纖維摻量/%油石比/%毛體積相對(duì)密度穩(wěn)定度/kN流值/mmVV/%VMA/%VFA/%5.32.519.92.14.315.970.25.62.477.92.15.117.273.1木質(zhì)素0.45.92.508.72.24.016.876.16.22.508.92.13.416.880.06.52.497.92.53.217.381.70.22.487.82.85.017.671.70.32.498.23.24.517.273.8速生草0.45.92.488.42.44.217.275.60.52.498.12.24.117.376.00.62.487.92.54.217.576.15.32.498.82.15.016.370.05.62.498.12.94.716.872.2速生草0.45.92.488.42.44.717.473.16.22.477.93.14.617.874.46.52.467.82.94.418.376.1技術(shù)要求>6.02～53.0～4.517.070～85

表7 各纖維瀝青混合料路用性能測(cè)試結(jié)果Table7 Roadperformancetestresultsoffiberasphaltmixtures類(lèi)別動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)最大彎拉強(qiáng)度/με彎曲勁度模量/MPa浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度/%老化程度未老化未老化老化后未老化老化后未老化老化后木質(zhì)素纖維98473503.53257.64717.44217.693.996.2速生草纖維85863846.33685.75160.54760.797.498.7規(guī)范要求≥3000≥3000≥80類(lèi)別凍融劈裂殘留強(qiáng)度比/%抗壓回彈模量/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa老化程度未老化老化后未老化未老化木質(zhì)素纖維96.397.71342.1(15℃)1211.3(20℃)6.98(15℃)6.57(20℃)速生草纖維98.798.51286.4(15℃)1174.9(20℃)6.42(15℃)6.12(20℃)規(guī)范要求≥80

2.3 低溫抗裂性

采用-10 ℃下的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)纖維瀝青混合料的低溫抗裂性，結(jié)果見(jiàn)表7。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，速生草纖維瀝青混合料的最大彎拉強(qiáng)度和彎曲勁度模量分別比木質(zhì)素纖維瀝青混合料高9.78%和9.39%，表明速生草纖維瀝青混合料的韌性和抗低溫開(kāi)裂能力更強(qiáng)。這主要是因?yàn)閇12-14]：① 速生草纖維瀝青混合料的最佳油石比高于木質(zhì)素纖維。隨著瀝青用量的增加，混合料的延展性能得到提高，從而增強(qiáng)了其低溫抗裂性能。② 速生草纖維擁有更優(yōu)良的低溫韌性，在溫度降低時(shí)不易變脆，能夠在低溫條件下的瀝青混合料中起到比木質(zhì)素纖維更優(yōu)的穩(wěn)定效果。

2.4 水穩(wěn)定性

從水穩(wěn)定性結(jié)果來(lái)看(見(jiàn)表7)，速生草纖維瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比都明顯高于木質(zhì)素纖維瀝青混合料，表明速生草纖維瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性。這一方面是因?yàn)樗偕堇w維的高吸油率在提高油石比的同時(shí)使裹覆石料的瀝青薄膜增厚，從而減弱了水對(duì)瀝青與石料界面的損傷作用。另一方面，木質(zhì)素纖維比速生草纖維的親水性能更強(qiáng)，長(zhǎng)時(shí)間浸泡會(huì)使木質(zhì)素纖維中吸收大量水分，這些水分在冰凍后的體積膨脹導(dǎo)致混合料內(nèi)部的應(yīng)力破壞與裹覆石料瀝青薄膜的脫落。

2.5 力學(xué)性能

各纖維瀝青混合料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。顯而易見(jiàn)各混合料力學(xué)性能易受溫度影響。當(dāng)測(cè)試溫度由15 ℃升至20 ℃時(shí)，木質(zhì)素纖維瀝青混合料的抗壓回彈模量和抗壓強(qiáng)度分別下降了9.75%和5.87%，速生草纖維混合料的對(duì)應(yīng)值分別為8.67%和4.67%。同一溫度下(如20 ℃)，速生草纖維混合料的抗壓回彈模量和抗壓強(qiáng)度分別比木質(zhì)素纖維混合料低3.0%和6.8%，表明速生草纖維混合料的力學(xué)性能略低于木質(zhì)素纖維。

實(shí)際上，纖維被摻入瀝青混合料后可形成均勻分散的纖維網(wǎng)，使荷載均勻地分散到集料與瀝青膠漿上，進(jìn)而提高混合料的承載能力并防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張[15]。由于木質(zhì)素纖維的拉力強(qiáng)度高于速生草纖維，因而其加筋和橋接作用更加明顯，力學(xué)性能更優(yōu)。

2.6 老化性能

各纖維瀝青混合料老化后的水穩(wěn)定性、低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。從數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，老化使木質(zhì)素纖維瀝青混合料的最大彎拉強(qiáng)度和彎曲勁度模量分別下降了7.02%和10.59%，而速生草植物纖維混合料的對(duì)應(yīng)值分別為4.17%和7.75%。因而，老化會(huì)顯著降低纖維瀝青混合料的低溫彎曲性能，但速生草植物纖維瀝青混合料的低溫性能降幅小于木質(zhì)素纖維。此外，老化后，木質(zhì)素纖維瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比分別下降了2.3%和1.4%，速生草植物纖維混合料的對(duì)應(yīng)值分別為+1.3%和-0.2%，說(shuō)明熱氧老化作用可提高瀝青混合料的剛度，進(jìn)而提高其殘留穩(wěn)定度。與木質(zhì)素纖維相比，速生草纖維可有效減緩混合料老化對(duì)路用性能的影響，因而延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。

速生草纖維可提高混合料老化性能的主要原因是其較高的瀝青用量(吸油率)增加了集料表面瀝青膜的裹覆厚度，因而提高了瀝青與集料間的致密性，減少了瀝青結(jié)合料中極性物質(zhì)的氧化作用[16-17]。

3 結(jié)論

通過(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)研究了木質(zhì)素和速生草纖維瀝青混合料的路用性能，得出了以下結(jié)論：

a.速生草纖維有著比木質(zhì)素纖維更大的吸油率，對(duì)瀝青的吸附作用高于木質(zhì)素纖維。在保持其他參數(shù)一致的條件下，速生草纖維瀝青混合料的最佳油石比高于木質(zhì)素纖維。

b.在兩種纖維摻量相同的條件下，速生草纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性和抗老化性能明顯優(yōu)于木質(zhì)素纖維，其馬歇爾強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性和力學(xué)性能略低于木質(zhì)素纖維，但所有的性能指標(biāo)均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

c.在滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的前提下，速生草植物纖維的環(huán)保性和適用性明顯，具有進(jìn)一步改性與推廣應(yīng)用的重要意義。