玻璃纖維與木質(zhì)素對瀝青混合料路用性能的影響研究

2025-03-31 00:00:00李捷飛

粘接 2025年3期

摘要：為減少瀝青路面病害發(fā)生率，延長其使用壽命，將玻璃纖維與木質(zhì)素2種添加劑混合到瀝青混合料中以改善其性能，并對其改性機理及影響機制進行探究。結(jié)果表明，玻璃纖維長度對瀝青混合料的馬歇爾強度具有顯著影響：摻入玻璃纖維與木質(zhì)素后，礦料間隙率和有效瀝青飽和度與對照組相差無幾，但混合料孔隙率整體有所提升；12 mm長度玻璃纖維、與9%摻量木質(zhì)素條件下回彈模量取得最高值，與對照組相比，15 ℃回彈模量提高了31.76%，25 ℃回彈模量提高了33.74%；12 mm玻璃纖維對混合料的低溫性能有明顯改蓋作用，摻入木質(zhì)素后增益效果更加顯著，在9%摻量條件下達到峰值，后續(xù)隨木質(zhì)素摻入比例增加而下降。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維；木質(zhì)素；瀝青混合料；路用性能

中圖分類號：TQ341 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0078-04

Study on the effect of glass fiber and lignin onthe road performance of asphalt mixture

LI Jiefei

（Yunnan Yunlu Engineering Testing Co.，Ltd.，Kunming 650000，China）

Abstract：In order to reduce the incidence of asphalt pavement disease and prolong its service life，two additives，glass fiber and lignin，were mixed into asphalt mixture to improve its performance，and its modification mechanismand influencing mechanism were explored. The results showed that the length of glass fiber had a significant effecton the Mlarshall strength of asphalt mixture. After the addition of glass fiber and lignin，the void ratio and eflective as?phalt saturation of the ore were almost the same as those of the control group，but the porosity of the mixture was im?proved overall. The highest value of resilience modulus was obtained under the condition of 12 mm length glass fiberand 9% lignin content. Compared with the control group，the resilience modulus at 15 ℃ was increased by 31.76%and 33.74% at 25 ℃. 12 mm glass fiber had a significant effect on the low-temperature performance of the mixture，and the gain effect was more significant after the addition of lignin，which reached the peak under the condition of9% content，and then decreased with the increase of lignin incorporation ratio.

Key words：glass fibres；lignin；asphalt mixtures；road performance

瀝青混凝土憑借其優(yōu)異的路用性能，已成為交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的主流筑路材料，在高速公路、機場跑道、港口碼頭等工程領(lǐng)域占據(jù)主導地位 [1-2] 。

相較于傳統(tǒng)水泥混凝土路面，其優(yōu)勢體現(xiàn)在行車舒適性、降噪效果及抗滑性能等方面，但長期服役過程中仍面臨車轍變形、溫縮裂縫等典型病害的挑戰(zhàn) [3] 。針對這些問題，工程界通過材料改性技術(shù)尋求突破：添加聚合物可改善瀝青的高溫穩(wěn)定性，摻入纖維材料（如玻璃纖維、碳纖維）能形成三維增強網(wǎng)絡(luò)提升抗裂性能，橡膠顆粒的彈性效應則有助于緩解溫度應力 [4-5] 。在再生瀝青混合料領(lǐng)域，玻璃纖維的“橋接-聯(lián)鎖”作用機理展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，既可提升材料的抗拉強度，又能增強低溫環(huán)境下的抗開裂能力，這些改性技術(shù)為延長路面使用壽命提供了新的解決方案 [5-9] 。本研究采用玻璃纖維與木質(zhì)素復合改性技術(shù)提升瀝青材料的綜合性能。前期試驗表明，玻璃纖維在增強相變?yōu)r青材料高溫抗變形能力的同時，能維持其溫度調(diào)節(jié)功能；當纖維摻量達到2%時，材料性能呈現(xiàn)最佳平衡狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，本研究創(chuàng)新性地將木質(zhì)素與玻璃纖維進行協(xié)同改性，通過系統(tǒng)性性能測試，重點考察木質(zhì)素摻量梯度（0.5%～2.5%）與玻璃纖維長度規(guī)格（3～9 mm）對改性材料的力學特性影響，包括馬歇爾穩(wěn)定度、塑性變形量、空隙分布特征、彈性模量及低溫抗裂性能等關(guān)鍵指標，旨在確定復合改性的最優(yōu)配比方案 [10-13] 。

1 試驗原材料、儀器與方案

1.1 試驗材料及儀器

本試驗基礎(chǔ)材料選型如下：基質(zhì)瀝青采用云南昆明某廠商供應的70#道路石油瀝青（技術(shù)指標見表1）；改性劑選用廣州化工企業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)級木質(zhì)素（技術(shù)指標見表2）；增強纖維為浙江產(chǎn)針狀玻璃纖維，規(guī)格包含6 mm和12 mm（性能參數(shù)見表3）；粗細集料均采用廣東清遠供應的石灰?guī)r材料，最大粒徑規(guī)格為25 mm。所有原材料在試驗前均通過基本性能檢測，符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004）要求。試驗儀器主要包含DF-5型瀝青混合料穩(wěn)定度測定儀、MTS-810型液壓伺服萬能拉伸試驗機及試驗天平及卡尺等設(shè)備。

1.2 試驗方法

本試驗中，包含對照組共計13組試驗，其中玻璃纖維摻量為0.3%保持不變，長度分別摻入6 mm與12 mm對比，木質(zhì)素摻量從0%等比例遞增至12%（占瀝青質(zhì)量），具體配合比設(shè)計見表4。

2 路用性能結(jié)果分析

2.1 高溫性能

高溫性能首先制備混合料試件馬歇爾標準時間，脫模后于60 ℃水浴中浸泡30 min，而后取出試件并使用DF-5型瀝青混合料穩(wěn)定度測定儀測定穩(wěn)定度與流值。圖1展示了不同組別條件下混合料馬歇爾穩(wěn)定度值隨木質(zhì)素摻量增加的變化趨勢。

由圖1可知，木質(zhì)素與玻璃纖維的協(xié)同效應呈現(xiàn)顯著的尺寸依賴性。當采用6 mm玻璃纖維時，除L9F6組抗壓強度提升外，其他配比試件均出現(xiàn)強度衰減現(xiàn)象；而12 mm玻璃纖維與木質(zhì)素復合后，所有組別均表現(xiàn)出強度增強特性，其中木質(zhì)素摻量9%時改性效果最為突出。這種差異主要源于纖維長度對瀝青膠漿網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建作用：長纖維能形成更穩(wěn)定的三維骨架結(jié)構(gòu)，有效分散荷載應力。黏度測試表明，木質(zhì)素的摻入使瀝青結(jié)合料高溫黏度提升18%～25%，這種黏度增強效應既強化了混合料的高溫抗變形能力，又通過界面吸附作用緩解了纖維分散不均帶來的性能波動。值得注意的是，木質(zhì)素對瀝青膠結(jié)體系的增稠作用，可部分抵消纖維摻入引起的瀝青膜變薄效應，從而維持混合料的耐久性能 [14-15] 。

由圖2可知，試驗數(shù)據(jù)顯示，改性材料的塑性變形特征呈現(xiàn)規(guī)律性變化：所有添加木質(zhì)素與玻璃纖維的試件流動值均高于基準組，其中L12F12組達到5.2mm的峰值，而L6F6組僅輕微高于對照組。這種塑性特征的增強雖然降低了材料剛度，卻顯著提升了其韌性表現(xiàn)，使其在破壞前能夠通過更大變形吸收沖擊能量。

這種性能演變對材料的實際應用具有雙重意義：一方面需關(guān)注可能引起的車轍風險；另一方面則可利用其優(yōu)異的應變能吸收特性提升抗裂性能。

2.2 孔隙率

圖3分別展示了不同組別條件下試件礦料間隙率、有效瀝青飽和度與混合料孔隙率。

由圖3可知，材料配比對混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有顯著影響：

（1）礦料間隙率方面，6 mm玻璃纖維組隨木質(zhì)素摻量增加呈現(xiàn)先升后降趨勢，當木質(zhì)素含量達9%時出現(xiàn)拐點，間隙率較基準組降低0.3個百分點；12 mm玻璃纖維組則呈現(xiàn)波動變化特征。這種差異源于纖維長度與木質(zhì)素共同構(gòu)建的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過界面聯(lián)鎖效應提升了集料嵌擠穩(wěn)定性；

（2）有效瀝青飽和度檢測表明，復合改性材料普遍出現(xiàn)飽和度下降現(xiàn)象，其中L12F6組降幅達17.2%，而L3F12與L9F6組降幅控制在5%以內(nèi)，仍保持較好的裹覆狀態(tài)；

（3）孔隙率測試顯示，所有改性組均出現(xiàn)孔隙率上升趨勢，其中6 mm玻璃纖維組增幅最為顯著。這種變化規(guī)律與纖維-木質(zhì)素復合體系的界面效應密切相關(guān)：短纖維對瀝青膜的切割作用加劇了空隙生成，而長纖維通過空間支撐作用部分抵消了這一影響。

2.3 彈性模量

圖4展示了不同組別15 ℃及25 ℃條件下瀝青混合料彈性模量試驗結(jié)果。

由圖4可知，彈性模量方面，6 mm玻璃纖維的摻入導致材料剛度下降，木質(zhì)素的加入初期加劇了這種趨勢，但隨著木質(zhì)素摻量增加，模量呈現(xiàn)先抑后揚的變化特征。其中L3F6組在15 ℃時模量衰減最明顯（較基準組下降42.66%），而L12F6組降幅最?。▋H12.81%）。溫度升高至25 ℃時，各組模量衰減幅度收窄，L3F6組降幅縮小至31.52%，L12F6組則保持在4.87%的較低水平，這表明短纖維改性體系在高溫條件下具有更好的穩(wěn)定性保持能力?；貜椖Ａ繙y試表明，12 mm玻璃纖維與木質(zhì)素復合改性呈現(xiàn)協(xié)同增強效應。當木質(zhì)素摻量低于9%時，材料回彈模量隨木質(zhì)素含量增加持續(xù)提升，在9%摻量時達到峰值（15 ℃提升 31.76%，25 ℃提升 33.74%）。但過量木質(zhì)素（12%）會導致模量回落，較峰值分別下降 17.85%（15 ℃）和25.57%（25 ℃）。這種非線性變化揭示了纖維-木質(zhì)素界面相互作用的閾值效應，過量木質(zhì)素可能破壞纖維與瀝青的界面結(jié)合，導致性能衰減。

2.4 低溫性能

圖5～圖7分別為同長度玻璃纖維條件下木質(zhì)素摻量對破壞拉伸應變、破壞勁度模量和劈裂抗拉強度的影響。

由圖5～圖7可知，試驗數(shù)據(jù)顯示纖維尺寸與木質(zhì)素摻量對材料力學性能存在顯著交互影響：變形特性方面，6 mm纖維體系的破壞拉伸應變呈現(xiàn)先抑后揚趨勢，在L3F6組達到最低點；而12 mm纖維體系則表現(xiàn)為先升后降特征，峰值出現(xiàn)在L9F12組。這種差異源于纖維-木質(zhì)素網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)型差異：短纖維體系中木質(zhì)素的界面阻隔效應占主導，而長纖維體系則通過三維骨架效應實現(xiàn)應變能優(yōu)化分布。同時，勁度模量變化與應變趨勢呈鏡像關(guān)系，驗證了材料剛度與變形能力的耦合特性。L3F6組勁度模量達到峰值，而L9F12組則處于最低水平，這種反向關(guān)聯(lián)揭示了材料破壞模式的轉(zhuǎn)變機制。此外，抗拉強度演變呈現(xiàn)維度差異：6mm纖維體系的劈裂強度曲線呈“V”型走勢，而12 mm體系則表現(xiàn)為倒“V”型特征。這種相反趨勢表明，當纖維長度與木質(zhì)素摻量匹配時（如L9F12組），材料可同時獲得最優(yōu)的應力分散效果和界面粘結(jié)強度。

3 結(jié)語

（1）材料配比試驗表明：6 mm玻璃纖維的摻入會削弱混合料的抗壓強度，但木質(zhì)素的加入可有效抵消這種不利影響；當采用12 mm玻璃纖維與木質(zhì)素復合改性時，材料抗壓強度顯著提升，其中木質(zhì)素摻量9%時改性效果最佳。所有改性組的塑性變形量均有所增加，但部分配比（如L6F6組）增幅較小，與基準組差異不顯著；

（2）結(jié)構(gòu)參數(shù)分析顯示：改性材料的礦料間隙率與有效瀝青飽和度呈現(xiàn)波動變化特征，整體與基準組保持相近水平，但孔隙率普遍上升。這種變化表明纖維-木質(zhì)素復合體系在優(yōu)化集料嵌擠結(jié)構(gòu)的同時，對瀝青膜分布均勻性產(chǎn)生了一定影響；

（3）動態(tài)力學性能測試揭示：6 mm纖維改性體系的彈性模量呈現(xiàn)先抑后揚趨勢，L3F6組達到最低值；而12 mm纖維體系則隨木質(zhì)素摻量增加呈現(xiàn)先升后降特征，在9%摻量時達到性能峰值，繼續(xù)增加木質(zhì)素則出現(xiàn)模量衰減現(xiàn)象。這表明存在木質(zhì)素摻量的臨界閾值；

（4）力學響應對比顯示：6 mm纖維的摻入會降低材料的破壞應變與抗拉強度，同時提高勁度模量，但木質(zhì)素的加入可有效緩解這些負面效應；12 mm纖維體系則表現(xiàn)出相反作用，其與木質(zhì)素的協(xié)同效應顯著提升了材料的破壞應變與抗拉強度，同時降低勁度模量。這種尺寸效應表明，長纖維與木質(zhì)素的復合使用更有利于改善材料的低溫變形能力。

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