木質素復配玻璃纖維瀝青混合料力學特性研究

羅少粉

【摘要：】為改善瀝青混合料的力學性能，文章采用玻璃纖維與木質素作為復配外加劑，研究不同長度玻璃纖維復配不同摻量木質素對瀝青混合料空隙率、礦料間隙率、飽和度等體積指標以及穩定度、不同溫度彈性模量等力學指標的影響。結果顯示：玻璃纖維與木質素復配方案對瀝青混合料空隙率、礦料間隙率以及飽和度等體積指標影響較大;長度為12 mm的玻璃纖維可以提高瀝青混合料彈性模量，且彈性模量隨復配木質素摻量提高呈現先增大后減小的規律;長度為6 mm的玻璃纖維則降低了混合料彈性模量，復配木質素后彈性模量隨復配摻量增加而提高;長度為12 mm的玻璃纖維復配試樣相較6 mm的玻璃纖維試樣具有較低的溫度敏感系數。

【關鍵詞：】木質素;玻璃纖維;瀝青混合料;馬歇爾試驗;彈性模量

U416.03A260795

0 引言

為適應不同氣候條件、不同服役環境使用要求，研究人員在改善瀝青混合料技術性能方面做了大量工作。其中，外加劑作為一種可行的改性方案，對瀝青或瀝青混合料性能具有良好提升效果。常用的外加劑有聚合物、纖維、納米材料等，目前對于上述外加劑的研究相對較多，如有研究者采用黑色納米碳、碳納米管、納米黏土等納米材料對瀝青進行改性，并評價了納米材料對瀝青及瀝青混合料性能的影響，研究表明納米材料對瀝青混合料具有積極的影響[1-3]。對聚合物改性瀝青的研究更加廣泛，如SBS、SRR及膠粉類改性瀝青等[4-6]。另外，纖維類改性劑作為SMA或高黏瀝青的有效改性劑，應用也相對廣泛[7-9]。

上述改性方案均取得了較好的研究成果，但為適用于更廣泛、更嚴苛的環境，有必要對瀝青及瀝青混合料改性做更為深入的研究。其中木質素（區別于目前瀝青改性常用的木質素纖維）是一種常見的天然高分子材料，具有可再生、來源廣泛的優點。玻璃纖維作為纖維材料的一種，對瀝青混合料具有良好的改性效果。為了綜合改善瀝青及瀝青混合料性能，本文嘗試將木質素與玻璃纖維復配對瀝青及瀝青混合料進行綜合改性。試驗采用不同摻量木質素和兩種長度玻璃纖維得到復配方案。擬采用馬歇爾試驗對瀝青混合料體積指標及力學性能進行表征，采用不同溫度下彈性模量對復配瀝青混合料模量特征進行評估，最終推薦出適合的復配方案。

1 原材料

1.1 木質素與玻璃纖維

本文所用木質素為黑色粉末，于造紙工業廢料中提取，粒徑分布在0.5～200 μm之間，其元素組成如表1所示。采用6 mm和12 mm兩種針狀玻璃纖維，其主要技術指標如表2所示。

1.2 瀝青混合料

瀝青采用東海牌70#基質瀝青，相關性能指標如表3所示。

采用石灰巖粗集料（4.75～9.5 mm、9.5～19.0 mm、19.0～26.5 mm）、石灰巖細集料（0～2.36 mm、2.36～4.75 mm）以及石灰巖礦粉，采用AC-25C級配制備瀝青混合料。混合料配合比設計如下頁圖1所示。經配合比設計確定最佳油石比為3.9%。

1.3 復配添加劑比例設計

玻璃纖維主要通過與集料混合加入方式對瀝青混合料進行改性。本文為研究玻璃纖維長度對混合料性能的影響，采用固定摻量（混合料質量比0.3%）下不同長度玻璃纖維與不同摻量木質素進行復配。試驗設計復配組合如表4所示。

1.4 木質素瀝青制備

根據添加劑性質，玻璃纖維可采用與集料混合干拌的方式進行瀝青混合料制備。而木質素由于粒徑較小、易發生團聚的特性，需提前將其與瀝青混合制備成木質素瀝青。制定木質素瀝青制備工藝如下：將瀝青加熱至163 ℃備用，將木質素緩慢加入熔融瀝青中，邊加入邊攪拌，采用高速剪切機在3 000 r/min下恒溫攪拌10 min。

2 體積指標影響

采用表4的復配方案，按照規范制作標準馬歇爾瀝青混合料試件，其中混合料雙面擊實各75次。木質素添加到瀝青中剪切拌和均勻后，將玻璃纖維與集料同時加入拌和制備瀝青混合料試件。將各混合料試件進行體積指標試驗，試驗結果及分析如下。

2.1 空隙率

對各復配瀝青混合料試件進行空隙率測試，試驗結果如圖2所示（無外摻劑試件空隙率為4%）。

分析圖2可知：與無任何外摻劑的對照組相比，摻入木質素及玻璃纖維后瀝青混合料空隙率均增大。這是由于摻入外加劑后瀝青黏度增大，結構瀝青含量增加、自由瀝青含量減少，使得瀝青混合料更易形成空隙更大的“骨架”結構。另外，隨著木質素摻量增大，瀝青混合料空隙率整體呈現增大趨勢。相比而言，同木質素摻量下，6 mm玻璃纖維瀝青混合料空隙率更大，表明6 mm玻璃纖維比12 mm玻璃纖維對瀝青混合料空隙率影響更大。因此，在進行木質素復配玻璃纖維瀝青混合料配合比設計時，應充分考慮外加劑摻入對空隙率變化的影響。

2.2 礦料間隙VMA

對各復配瀝青混合料試件進行礦料間隙率測試，試驗結果如圖3所示。

分析圖3可知：摻入外加劑后，瀝青混合料礦料間隙率整體呈現增大趨勢。這是由于摻入外加劑后木質素與纖維復配改性劑增大了瀝青黏度，增加了瀝青混合料中結構瀝青的比例，使得混合料更易形成骨架結構，進而增加了礦料間隙率以及空隙率。相較而言，6 mm玻璃纖維復配方案對礦料間隙率增大幅度更明顯，這與空隙率試驗結果一致，表明6 mm玻璃纖維對瀝青混合料的影響更顯著。

2.3 飽和度VFA

對各復配瀝青混合料試件進行飽和度測試，試驗結果如圖4所示。

分析圖4可知：同對照試樣相比，摻加外加劑后瀝青混合料飽和度均減小。由飽和度計算公式式（1）可知，礦料間隙率變化不大時，空隙率增大將導致飽和度減小。整體而言，12 mm玻璃纖維復配試樣較6 mm玻璃纖維試樣飽和度大，表明其對瀝青混合料飽和度降低幅度影響相對較小。瀝青混合料飽和度隨木質素摻量增加未呈現明顯變化規律，表明復配材料作用對瀝青混合料體積指標的影響較復雜，需結合其他指標進行驗證分析。CB9D15CF-157F-441D-8AAC-15910BCC95BB

VFA=（VMA-VV）/VMA （1）

3 穩定度試驗

為進一步研究玻璃纖維與木質素復配方案對瀝青混合料的影響，采用穩定度試驗進行力學性能研究分析。試驗結果及分析如下。

3.1 穩定度

不同復配方案瀝青混合料試件穩定度試驗結果如圖5所示。

分析可知：

（1）長度為12 mm的玻璃纖維與木質素復配后，所有試樣馬歇爾強度均較對照試樣有所提高。其中，12 mm的玻璃纖維與9%木質素復配試樣增大幅度最高，而長度為6 mm的玻璃纖維除9%木質素摻量外，穩定度均降低。綜合分析，摻入玻璃纖維后，瀝青黏度增大，提高了其抗變形能力。同時，纖維長度對瀝青及瀝青混合料性能也具有較大影響。另外，纖維越長，在瀝青混合料拌和時容易引起團聚與纏繞，使用時應予以考慮。

（2）與僅摻入玻璃纖維試樣（木質素摻量為0）相比，摻入木質素后混合料穩定度均有所提高，且長度為12 mm

的玻璃纖維試樣提高幅度更加顯著。另外，不同長度玻璃纖維復配瀝青混合料試樣穩定度隨木質素纖維摻量增加呈現相同的變化規律。整體而言，隨著木質素摻量增大，瀝青混合料穩定度先增大后減小。這是由于木質素含量增大，瀝青的黏度增加，提高了混合料高溫抗變形性能。但由于馬歇爾穩定度試驗是在浸水條件下完成，受混合料空隙率等體積指標影響，當混合料空隙率過大（6%木質素摻量）時，其穩定度將會受到一定影響。

（3）所有試樣中，9LF12試樣穩定度最大，其復配方案為0.3%玻璃纖維（占瀝青混合料質量百分比）、9%木質素（占瀝青質量百分比），其較無外加劑試樣穩定度提高了38.2%。同時，3LF12也具有較高的穩定度，表明該復配方案也具有一定的可行性。

3.2 流值

不同復配方案瀝青混合料試件流值試驗結果如圖6所示。

流值指瀝青混合料試樣在加載破壞前在加載方向的最大變形。一般當穩定度較大、流值較小時可認為瀝青混合料強度較高。與對照組相比，在瀝青混合料中摻加外加劑后，所有試樣流值均有所增大。采用兩種類型玻璃纖維瀝青混合料流值均增大，且僅摻玻璃纖維試樣流值更高。與不使用木質素時相比，長度為12 mm的玻璃纖維與木質素組合對瀝青混合料的流值增加幅度更加明顯。

從單一變形量而言，流值增加表示混合料抗變形能力降低。但從另一方面而言，流值增大也可能是由于瀝青混合料柔韌性更強，破壞時可吸收更多的能量，進而承受更大的應變。因此，有必要結合瀝青混合料其他物理力學性能作進一步分析。

4 彈性模量

為了研究木質素與玻璃纖維復配改性瀝青混合料的彈性模量特性，選取15 ℃、25 ℃兩個試驗溫度進行回彈模量試驗。試驗前將試樣置于測試溫度下保溫24 h備用，試驗頻率為1 Hz，每個加載周期為1 s，采用半正弦加載方式。其中，加載時長為0.1 s，恢復時長為0.69 s。不同玻璃纖維長度復配木質素纖維改性瀝青混合料彈性模量試驗結果及分析如下。

4.1 15 ℃彈性模量

對6 mm、12 mm兩種長度玻璃纖維復配不同摻量木質素改性瀝青混合料進行15 ℃彈性模量測試，試驗結果如圖7所示。

分析圖7可知：

（1）長度為12 mm的玻璃纖維復配試樣與未摻外加劑試樣相比，僅加入玻璃纖維后，試樣彈性模量增大。與僅摻入玻璃纖維試樣相比，復配加入木質素后，彈性模量仍增大。當摻量為9%時彈性模量達到最大，為未摻外加劑試樣的1.3倍。

（2）長度為6 mm的玻璃纖維復配試樣與未摻外加劑試樣相比，僅加入玻璃纖維后，試樣彈性模量出現減小。當復配木質素后，隨著木質素摻量的增大彈性模量整體呈現增大趨勢，但當摻量達到12%時，試樣的15 ℃彈性模量仍小于未摻外加劑試樣。

（3）綜合分析，玻璃纖維與木質素復配試樣彈性模量與玻璃纖維長度及木質素摻量存在復雜的復配關系。僅就15 ℃彈性模量而言，推薦優先采用12 mm玻璃纖維，木質素復配摻量應控制在9%以內。當采用6 mm玻璃纖維時，復配方案會對瀝青混合料試樣的15 ℃彈性模量產生負面影響。

4.2 25 ℃彈性模量

對6 mm、12 mm兩種長度玻璃纖維復配不同摻量木質素改性瀝青混合料進行25 ℃彈性模量測試，試驗結果如圖8所示。

分析圖8可知：與15 ℃彈性模量試驗結果對比，不同長度玻璃纖維復配試樣在25 ℃彈性模量變化規律與15 ℃基本一致，即長度為12 mm的玻璃纖維試樣摻入后，其25 ℃彈性模量提高，且復配木質素時，隨木質素摻量增大彈性模量先增大后減小;長度為6 mm的玻璃纖維摻入后降低了25 ℃彈性模量，但復配木質素后模量逐漸增大。不同之處在于，長度為12 mm的玻璃纖維復配試樣在6FL12（纖維長度為12 mm、木質素摻量6%）時，25 ℃彈性模量最大。同時，當試驗溫度為25 ℃時，彈性模量變化幅度較15 ℃小。

4.3 溫度敏感性

為了進一步對復配試樣力學特性進行研究，采用不同溫度下彈性模量變化幅度對試樣溫度敏感性進行表征。定義溫度敏感系數計算公式如式（2）所示。

溫度敏感系數=25 ℃彈性模量/15 ℃彈性模量×100%（2）

由于溫度升高，瀝青混合料試樣彈性模量降低。根據溫度敏感系數定義，敏感系數越低，表示彈性模量隨溫度變化越不敏感，即試樣彈性模量降低幅度越小，表明其具有較好的力學特性。對照試驗結果分析可知，12 mm玻璃纖維復配試樣的溫度敏感系數顯著低于6 mm玻璃纖維試樣。12 mm玻璃纖維試樣溫度敏感系數值變化幅度較小，與對照試樣基本一致，且當木質素摻量達到9%后，溫度敏感性進一步降低。見圖9。

5 結語

本文采用不同長度玻璃纖維與不同摻量木質素進行復配對瀝青混合料進行改性，研究了復配方案對混合料關鍵體積指標、穩定度及彈性模量等力學特性的影響規律，得出如下結論：CB9D15CF-157F-441D-8AAC-15910BCC95BB

（1）單一玻璃纖維及玻璃纖維與木質素復配方案對瀝青混合料空隙率、礦料間隙率以及飽和度等體積指標影響較大。在進行木質素復配玻璃纖維瀝青混合料配合比設計時，應充分考慮外加劑摻入對體積指標變化的影響，不能完全采用未摻外加劑的配合比設計參數。

（2）長度為12 mm的玻璃纖維可以提高瀝青混合料彈性模量，且彈性模量隨復配木質素摻量增加呈現先增大后減小的規律。長度為6 mm的玻璃纖維則降低了混合料彈性模量，復配木質素后彈性模量隨復配摻量增加而提高。

（3）對比不同溫度彈性模量，長度為12 mm的玻璃纖維復配試樣相較6 mm的玻璃纖維試樣具有較低的溫度敏感系數，表明其具有較好的力學特性。綜合分析，推薦采用6FL12、9LF12復配方案對瀝青混合料進行改性。

（4）為控制其他影響因素對試驗結果的影響，試驗設計選取了同一合成級配及最佳油石比進行對比分析。由試驗結果可知，復配方案對瀝青混合料體積指標及力學性能的影響較大，建議有條件的研究者可參照上述試驗規律將各復配方案進行單獨配合比設計，然后再進行相關性能對比分析。另外，試驗結果顯示復配方案對穩定度、流值試驗及體積指標等結果影響復雜，而對彈性模量影響規律較為明顯，建議條件允許時應采用彈性模量等測試方法對瀝青混合料進行深入對比研究。

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