高聚物-木质素纤维复合增强剂对沥青混合料性能的影响*

傅 珍，常晓绒，武 孟，董文豪，张昭区

(1.长安大学 材料科学与工程学院，西安 710064；2.长安大学 公路学院，西安710064)

沥青路面高低温性能不足会出现不同程度开裂、车辙及渠化等现象[1]，因此，研究综合性能优良的改性沥青混合料成为解决上述现象的重要途径[2]。目前，国内外相关学者常采用某种单一材料作为沥青改性剂，然而单一的沥青改性剂并不能满足日益增长使用要求，因此复合改性剂应运而生[3]。

近年来，木质纤维素及聚合物作为改性剂使用时表现出优越的路用性能，研究指出两者共混时可提高材料的力学性能及阻燃性能[4]。文献[5]通过室内试验对聚氨酯改性沥青混合料研究发现，其低温抗裂性能大幅提升，但高温性能却弱于丙乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene，SBS)改性剂；文献[6]发现聚乙烯作为改性剂使沥青热性能和流变性能得到显著改善；文献[7]发现木质素纤维作为改性剂时，改性沥青的抗氧老化性能及高温性能均得到明显提升；文献[8]将木质纤维复合硅藻土用于改性沥青时，发现其针入度指数及当量软化点与基质沥青相比均有所提高；文献[9]采用粘附率对聚丙烯腈纤维、聚酯纤维及木质纤维与沥青的粘附性进行表征，结果表明木质素纤维粘附性最好，其水稳定性和抗剥离性能也最佳；文献[10]采用干法工艺得到布顿岩沥青(Buton Rock Asphalt，BRA)和木质素纤维改性的沥青混合料，发现其是一种宽温域沥青混合料，具有优良的高低温性能；文献[11]采用四点弯曲试验、浸水汉堡车辙试验及室内路用性能试验研究纤维硅藻土热再生混合料的耐久性，发现木质素纤维硅藻土复合改性剂可以减少混合料受冻融循环水损害之后劈裂抗拉强度的降低幅度，提高冻融劈裂试验强度比，改善热再生混合料的抗疲劳性能和低温抗裂性能；文献[12]研究了玉米酶解残渣木质素纤维改性沥青的三大指标，发现木质素纤维的掺加虽使其温度敏感性下降，但低温延度却受到破坏，需加入少量SBS进行改善。根据目前研究可知，聚合物改性剂和木质素纤维搭配使用的研究较少，因此，考虑采用两者的共混材料对基质沥青进行改性，以期能够改善沥青路面使用性能。

基于此，本文采用高聚物和木质素纤维制成的复合增强剂(Composite Reinforcing Agent，CRA)作为改性剂，使其以干拌形式直接投入到沥青中。通过高温车辙试验、低温弯曲试验以及冻融劈裂试验对改性沥青混合料进行高低温及水稳性能研究。同时将其与SBS及抗车辙剂进行高低温对比研究，以便为复合增强剂推广使用提供参考。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

本文选用的沥青为70#基质沥青，相关性能指标见表1。

表1 70#沥青相关性能指标

Tab.1 Performances of 70# asphalt

试验项目试验结果技术标准软化点/℃48.50≥4315 ℃针入度/0.1 mm20.9025 ℃针入度/0.1 mm61.4060～8030 ℃针入度/0.1 mm110.0015 ℃延度/cm108.40≥10010 ℃延度/cm33.00≥2060 ℃动力黏度/Pa·s198.00≥180薄膜加热(163,5 h)10 ℃残留延度/%14.00≥4质量损失/%0.03≤±0.8残留针入度比/%62.50≥54

试验所用粗细集料为玄武岩，集料基本性质见表2。矿粉为磨细的石灰岩，其表观密度为2.67 g·cm-3，亲水系数为0.58，塑性指数为2.6。

表2 矿料基本性质

采用垦特莱公司生产的高聚物-木质素纤维复合增强剂作为新型路面改性剂，其结构较为松散，部分呈粉末状，其外观形貌如图1所示，各项含量(w/%)见表3，具体性能指标见表4。

SBS是常用低温改善材料，在湿拌法制备中其常用掺量为w=5%；抗车辙剂(PR PLAST.S)为法国PR公司生产的高温性能改善材料，常见掺量为w=0.4%。

图1 复合增强剂外观形貌

表3 复合增强剂组成成分

表4 复合增强剂指标参数

1.2 试验方案

1.2.1 改性沥青混合料的制备

将基质沥青加热到180 ℃，采用高速剪切机对其进行剪切，在此过程中逐次加入复合增强剂，180 ℃恒温下剪切约1 h。将提前加热的干集料倒入搅拌锅中，同时将外加剂加入搅拌90 s，倒入180 ℃复合增强剂改性沥青搅拌90 s，再加入180 ℃矿粉搅拌90 s。整个过程应快速、精确以避免温度浮动太大。

1.2.2 改性沥青混合料路用性能试验

研究3种级配(AC-13型、AC-16型、AC-20型)沥青混合料在掺入不同质量分数(w=0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%和1.2%)复合增强剂时的高低温及水稳性能，同时将不同掺量复合增强剂下的AC-13型改性沥青混合料与SBS、抗车辙剂改性效果进行对比研究。

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对沥青混合料进行性能测试[13]，低温性能测试选用低温小梁弯曲试验(T0715-2011)，实验温度为-10℃，试验仪器为加载速度为50 mm·min-1的电子万能试验机；高温性能测试采用车辙试验(T0719-2011)，试验仪器为HYCZ-5自动车辙试验仪，试验温度60℃；水稳性能测试采用冻融劈裂试验(T0729-2000)，试验仪器为AMS-C型马歇尔试验仪。

2 结果及分析

2.1 沥青混合料油石比确定

根据实践经验，AC-13型沥青混合料目标空隙率定为4%，油石比初估为4.5%，因此，设计油石比为5.3%，4.9%，4.5%，4.1%和3.7%。根据要求成型相应试件，测试其空隙率、毛体积密度、有效沥青饱和度、矿料间隙率、流值、稳定度及最大理论相对密度等各项体积参数，试验结果见表5。其中沥青用量(w/%)与空隙率、稳定度、毛体积密度、有效沥青饱和度、流值及矿料间隙率等指标关系曲线如图2所示。

基于图2试验结果可知，AC-13型沥青混合料最佳油石比为4.6%。按照同样方法得出，AC-16和AC-20型沥青混合料的最佳油石比分别为4.5%和4.4%。当采用复合增强剂改性沥青时，上述确定的油石比不能直接选用，因为复合增强剂颗粒并不会完全作用于沥青，其会以颗粒状态与沥青及细集料形成胶团，对集料产生干涉作用，增大沥青需求量。

表5 AC-13型沥青混合料马歇尔试件体积参数

图2 AC-13型沥青混合料油石比与各项指标关系曲线

3种级配沥青混合料中复合增强剂掺量选用为w=0.4%，0.6%，0.8%，1.0%和1.2%，由于采用上述方式确定3种级配改性沥青混合料最佳油石比工作量过大，因此仅选用w=0.4%和w=0.6%掺量的AC-13复合增强剂改性沥青混合料进行配合比设计，计算方法与基质沥青相似，剩余级配改性混合料按照规律确定，最终结果见表6。将试验所得3种级配改性沥青混合料在室内成型相应尺寸试件。

2.2 高温性能

图3为3种级配沥青混合料在不同掺量复合增强剂下的车辙试验结果，每组实验中有4个平行试验，取其平均值进行绘图分析。由图3可看出，掺入复合增强剂后，不同级配沥青混合料动稳定度均有明显上升；不同级配沥青混合料的动稳定度均随复合增强剂掺量持续增加呈现先上升后下降趋势，说明复合增强剂对不同级配沥青混合料影响效果相同。当掺量达到w=1.0%时，3种级配(AC-13，AC-16和AC-20型)沥青混合料动稳定度分别提升3.0倍、3.9倍和3.5倍，达到常规沥青路面高温性能要求。由曲线变化趋势可知，AC-16型沥青混合料动稳定度下降幅度最大，且下降趋势最陡。

表6 改性沥青混合料最佳油石比

复合增强剂能够从多方面提高混合料的高温性能，一方面，部分增强剂颗粒会溶解在沥青中，在骨料之间产生胶结作用使其结构密实[14]，对沥青混合料起到加筋作用。另一方面，复合增强剂中的高聚物在沥青中会产生溶胀，形成黏弹网络结构，以抵制变形[15]。此外，复合增强剂中含有表面粗糙的木质纤维素，其含有较多的网状结构，且具有较大的有效比表面积[16]，与沥青的吸附效果较强，能够提高沥青混合料动稳定度。

图3 改性沥青混合料动稳定度

2.3 低温性能

3种不同级配沥青混合料在不同含量复合增强剂下的破坏应变如图4所示。由图4可知，复合增强剂掺入后，沥青混合料弯曲破环应变均得到了大幅度提高，表明复合增强剂可以提升沥青混合料低温性能；不同级配沥青混合料的破坏应变均随掺量的增加呈现先增大后减少趋势；在掺量为w=1.0%时，3种级配(AC-13，AC-16和AC-20型)沥青混合料弯曲破坏应变达到最大值，分别为基质沥青的1.4倍、1.44倍和1.49倍，其中AC-16型复合改性沥青混合料低温性能最优。

图4 改性沥青混合料弯曲破坏应变

复合增强剂加入后，其中的木质素纤维可以有效分散在沥青混合料中，且其自身具有抗拉强度，会与沥青共同起阻裂作用，增大沥青混合料的抗拉伸性能，更好地阻止裂缝在混合料中的扩展，提升沥青混合料低温性能[17]。废旧塑料中的聚合物分子自身的高粘性会极大改善沥青混合料的抗车辙能力[18]。

2.4 水稳性能

图5为3种不同级配沥青混合料在不同掺量复合增强剂下的水稳性能。从图5可以看出，复合增强剂的加入使沥青混合料冻融劈裂强度比得到提高，表明复合增强剂能够显著提高沥青混合料抗水损害能力；掺入的复合增强剂使集料与沥青黏附效果增强，提高沥青混合料整体密实度；3种级配混合料冻融劈裂强度均随复合增强剂掺量的增加呈先上升后下降趋势，说明复合增强剂对沥青混合料水稳性能改善的同时产生了消极影响。由图4可知，复合增强剂最佳掺量为w=1.0%。

图5 改性沥青混合料水稳性能

沥青混合料水稳定性主要取决于沥青与骨料之间的相互作用，混合料的空隙以及沥青膜的厚度[19]。复合增强剂是一种粘性流体，在高温下具有良好变形能力，因此，其能够填充大孔，改变混合料结构，从而减少连接孔数量，有效地防止沥青粘合剂迁移。当复合增强剂掺量过大时，废旧塑料与沥青的相容性降低[20]；且木质素纤维会聚集成束，与沥青粘结面积减少，空隙率增加，从而导致混合料水稳性能下降。此外，复合增强剂会以细集料的形式填充在沥青混合料的骨架空隙中，由于其密度低及结构松散，因此，掺量过大会导致混合料密实度降低，从而也会对混合料的抗水损害能力产生不利影响。

2.5 与SBS及抗车辙剂的高低温性能对比

选用矿料级配AC-13型，油石比为4.6%的改性沥青混合料，将其在不同掺量复合增强混合料下的高低温性能与掺量为w=5%的SBS及w=0.4%的抗车辙剂改性进行对比研究，试验结果如图6～7所示。

由图6可看出，加入改性剂会使沥青混合料动稳定度高于基质沥青；当复合增强剂掺量为w=0.4%时，动稳定度低于SBS及抗车辙剂改性混合料，低温性能较差；随着复合增强剂掺量增加到w=0.8%时，动稳定度显著提升，均高于两种改性沥青混合料动稳定度，表明复合增强剂掺量不断增加会使沥青混合料高温性能优于常用的SBS改性剂。

图6 车辙试验结果

图7 低温弯曲试验结果

由图7可知，加入不同改性剂的沥青混合料弯曲破坏应变均大于基质沥青；掺量为w=0.4%的改性沥青混合料，虽然其破坏应变优于同掺量下的抗车辙剂，但却低于SBS改性剂；弯曲破坏应变随复合增强剂掺量的不断增加而增大，当掺量达到w=1.0%时，其弯曲破坏应变能与SBS相持平，证明复合增强剂的掺入会提升沥青混合料的低温性能。综上所述，当复合增强剂的掺量达到w=1.0%时，沥青混合料的高低温性能达到改善要求。

3 结 论

本文选用复合增强剂在掺量为w=0%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%和1.2%时形成的AC-13，AC-16和AC-20型改性沥青混合料，通过试验对其高低温性能及水稳性能进行分析，同时将AC-13型改性沥青混合料与SBS及抗车辙剂进行对比研究，得到结论为：

1) 当复合增强剂掺量达到w=1.0%时，3种级配沥青混合料动稳定度值最大，且分别提升3～4倍，级配类型会显著影响复合增强剂对沥青混合料使用性能的改善效果，AC-13型和AC-16型沥青混合料的抗低温性能及水稳性能优于AC-20型。

2) 不同级配的沥青混合料决定了矿料颗粒间的嵌挤力，矿料粒径的不断增大及较多复合增强剂的掺入会产生较为明显的应力集中现象；同时较多的纤维在沥青中分散受阻，高聚物与沥青相容性增大，导致3种级配混合料在复合增强剂掺量较大时高低温及水稳性能下降。

3) 与SBS及抗车辙剂相比，复合增强剂在改善沥青混合料高及低温性能方面具有明显优势，当掺量为w=1.0%时，其高低温性能已达到上述两种改性剂的改善效果，并且此掺量下沥青混合料水稳性能最佳。综合考虑各项因素可知，复合增强剂的最佳使用掺量为w=1.0%。