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 長沙 410205)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛，運輸車輛的大型化、超載現(xiàn)象日漸增多。為了滿足重載交通對瀝青路面路用性能日益增長的需求，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[2]，而木質(zhì)素纖維因其所具有的價格優(yōu)勢被應(yīng)用最多。此前，陳華鑫、張爭奇[3]等采用沉錘試驗、動態(tài)剪切試驗等對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)行對比試驗研究，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強機理，發(fā)現(xiàn)纖維的增強效果良好，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，對應(yīng)的改性瀝青混合料高溫抗車轍性能越強。纖維的分布水平和狀態(tài)對瀝青混合料模量及疲勞性能影響較小。SHENG[8]等評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。

從使用性能來看，礦物纖維與聚酯纖維吸油性能差、價格昂貴，而價格相對低廉的木質(zhì)素纖維雖具有比表面積大、吸油性能好等優(yōu)點，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，采用速生草開發(fā)價格低廉、生態(tài)環(huán)保的路用植物纖維及其應(yīng)用技術(shù)對促進(jìn)我國瀝青混合料路面鋪裝普及、提高工程性能、降低工程造價、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，通過室內(nèi)試驗驗證其力學(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，對速生草基纖維瀝青混合料的路用性能進(jìn)行系統(tǒng)評價。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

a.瀝青。

本文中采用的瀝青為SBS改性瀝青，產(chǎn)自岳陽長煉，其基本技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table1 TechnicalindexesofSBSmodifiedasphalt軟化點/℃針入度(25℃)/0.1mm延度(5℃)/cm相對密度/(g·cm-3)TFOT薄膜加熱試驗(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)見表2～表4。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)Table2 Technicalindexesofcoarseaggregate試驗指標(biāo)壓碎值/%洛杉磯磨耗值/%磨光值/%表觀相對密度/(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表觀相對密度/(g·cm-3)砂當(dāng)量/%棱角性/s試驗結(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表觀相對密度/(g·cm-3)含水量/%塑性指數(shù)親水系數(shù)試驗結(jié)果2.690.43.80.6技術(shù)要求≥2.5≤1<4<1

c.級配。

SMA-13瀝青混合料礦料級配見圖1。

圖1 SMA-13 型瀝青混合料級配曲線

d.纖維。

試驗所用速生草纖維主要成分為毛竹，實驗室自制；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)見表5。

表5 纖維基本技術(shù)指標(biāo)Table5 Basictechnicalindexesoffibers檢驗項目速生草木質(zhì)素技術(shù)要求纖維長度/mm<5.5<6≤6粒度組成%通過0.85mm篩占92%;通過0.425mm篩占63%;通過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倍纖維相對密度(25℃)0.9430.897實測

1.2 試樣制備

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

1.3 試驗方案

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行試驗測試。測試馬歇爾穩(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。測試浸水馬歇爾穩(wěn)定度時在(60±1)℃的恒溫水槽中持續(xù)保溫48 h。凍融劈裂試驗中，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)℃。車轍試驗溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，往返碾壓速度為(42 ±1)次/min。測試低溫彎曲性能時，棱柱體小梁置于-10 ℃冰箱中保溫不少于45 min,試驗速率采用50 mm/min。老化試驗中，短期老化溫度與時間分別為(135±3)℃、240±5 min，并每小時進(jìn)行一次翻拌，長期老化溫度與時間分別為(85±3)℃、(120±0.5)h。具體試驗方案與測試方法見圖4。

圖4 各纖維瀝青混合料路用性能研究試驗方案圖

2 試驗結(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)定度試驗結(jié)果見表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，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轍試驗結(jié)果見表7。由表7可知，速生草植物纖維瀝青混合料的動穩(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有成為有效瀝青。當(dāng)溫度上升(60 ℃)時，瀝青軟化后降低了其對石料的粘結(jié)力。② 室內(nèi)測試結(jié)果表明速生草纖維本身的拉力強度低于木質(zhì)素纖維，故在被摻加入瀝青混合料時沒有起到比木質(zhì)素纖維更好的加筋作用。

表6 馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果Table6 Marshallstabilitytestresults纖維種類纖維摻量/%油石比/%毛體積相對密度穩(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試結(jié)果Table7 Roadperformancetestresultsoffiberasphaltmixtures類別動穩(wěn)定度/(次·mm-1)最大彎拉強度/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類別凍融劈裂殘留強度比/%抗壓回彈模量/MPa抗壓強度/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 ℃下的三點彎曲試驗評價纖維瀝青混合料的低溫抗裂性，結(jié)果見表7。根據(jù)測試結(jié)果，速生草纖維瀝青混合料的最大彎拉強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裂能力更強。這主要是因為[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)果來看(見表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。這一方面是因為速生草纖維的高吸油率在提高油石比的同時使裹覆石料的瀝青薄膜增厚，從而減弱了水對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，長時間浸泡會使木質(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)性能測試結(jié)果見表7。顯而易見各混合料力學(xué)性能易受溫度影響。當(dāng)測試溫度由15 ℃升至20 ℃時，木質(zhì)素纖維瀝青混合料的抗壓回彈模量和抗壓強度分別下降了9.75%和5.87%，速生草纖維混合料的對應(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)一步擴張[15]。由于木質(zhì)素纖維的拉力強度高于速生草纖維，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、低溫彎曲試驗結(jié)果見表7。從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，老化使木質(zhì)素纖維瀝青混合料的最大彎拉強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應(yīng)值分別為4.17%和7.75%。因而，老化會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度比分別下降了2.3%和1.4%，速生草植物纖維混合料的對應(yīng)值分別為+1.3%和-0.2%，說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路用性能的影響，因而延長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

通過一系列室內(nèi)試驗研究了木質(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。