速生草植物纤维沥青混合料路用性能研究

聂思宇,李 泉,李 佩,吴庆定,刘克非

(1.中南林业科技大学 南方绿色道路研究所，湖南 长沙 410004；2.湖南省建筑固废资源化利用工程技术研究中心，湖南 长沙 410205)

0 引言

近年来，随着我国经济的腾飞，运输车辆的大型化、超载现象日渐增多。为了满足重载交通对沥青路面路用性能日益增长的需求，在沥青混合料中掺加纤维以改善其路用性能得到了广泛认可。纤维在被掺入沥青混合料后可起到加筋、吸附、分散、稳定、增黏的作用，进而有效改善沥青混合料的各方面性能[1]。

当前，广泛应用于沥青混合料的纤维有木质素纤维、矿物纤维、聚合物化学纤维3大类[2]，而木质素纤维因其所具有的价格优势被应用最多。此前，陈华鑫、张争奇[3]等采用沉锤试验、动态剪切试验等对多种纤维改性沥青胶浆进行了系统研究与分析，指出在拌制沥青混合料时需根据纤维的比表面积等参数适当增加沥青用量以满足沥青裹覆纤维的需要。杨彦海[4]等通过在SMA-13沥青混合料中掺入木质素纤维，并与3种矿质纤维沥青混合料路用性能进行对比试验研究，明确了4种纤维在SMA-13沥青混合料中的最优掺量。刘忠彦[5]等将沙生灌木纤维应用于沥青混合料中，并得出沙生灌木纤维可以提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗开裂性、水稳定性以及耐疲劳性的结论。ZHANG[6]等研究了纤维改性沥青玛蹄脂混合料的流变行为及补强机理，发现纤维的增强效果良好，可在高应力水平下使沥青胶浆的蠕变恢复率显著增大且蠕变残余值减小。HOSSEIN[7]等的研究结果表明纤维的微纤化水平越高，其分布越好，对应的改性沥青混合料高温抗车辙性能越强。纤维的分布水平和状态对沥青混合料模量及疲劳性能影响较小。SHENG[8]等评估了竹纤维改性沥青混合料的路用性能，结果表明竹纤维具有比聚酯纤维和木质素纤维更好的改性作用，且热稳定性良好。

从使用性能来看，矿物纤维与聚酯纤维吸油性能差、价格昂贵，而价格相对低廉的木质素纤维虽具有比表面积大、吸油性能好等优点，却需要消耗大量的森林资源。这些因素都不利于在规模快速增长的道路基础建设中大范围应用纤维稳定剂，因此，采用速生草开发价格低廉、生态环保的路用植物纤维及其应用技术对促进我国沥青混合料路面铺装普及、提高工程性能、降低工程造价、保护生态环境具有十分重要的意义。

本文将从毛竹中抽提出的速生草纤维掺入沥青混合料中，通过室内试验验证其力学、高温、低温、老化等性能，并进行木质素纤维的平行试验，对速生草基纤维沥青混合料的路用性能进行系统评价。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

a.沥青。

本文中采用的沥青为SBS改性沥青，产自岳阳长炼，其基本技术指标见表1。

表1 SBS改性沥青技术指标Table1 TechnicalindexesofSBSmodifiedasphalt软化点/℃针入度(25℃)/0.1mm延度(5℃)/cm相对密度/(g·cm-3)TFOT薄膜加热试验(163℃,5h)质量变化/%针入度比/%残留延度(5℃)/cm81.148.237.11.030-0.0179.024

b.矿质集料。

粗集料采用玄武岩碎石，细集料采用石灰石屑，矿粉采用石灰石粉末，各集料具体技术指标见表2～表4。

表2 粗集料技术指标Table2 Technicalindexesofcoarseaggregate试验指标压碎值/%洛杉矶磨耗值/%磨光值/%表观相对密度/(g·cm-3)吸水率/%针片状颗粒含量/%9.5～16mm4.75～9.5mm9.5～16mm4.75～9.5mm9.5～16mm4.75～9.5mm试验结果9.510.8512.952.960.550.784.711.3技术要求≤20 ≤24 ≥42 ≥2.6≤2.0≤10 ≤15

表3 细集料技术指标Table3 Technicalindexesoffineaggregate表观相对密度/(g·cm-3)砂当量/%棱角性/s试验结果2.857247技术要求≥2.5≥60≥30

表4 矿粉技术指标Table4 Technicalindexesofmineralpowder表观相对密度/(g·cm-3)含水量/%塑性指数亲水系数试验结果2.690.43.80.6技术要求≥2.5≤1<4<1

c.级配。

SMA-13沥青混合料矿料级配见图1。

图1 SMA-13 型沥青混合料级配曲线

d.纤维。

试验所用速生草纤维主要成分为毛竹，实验室自制；木质素纤维为四川能高威科技有限公司生产的颗粒状木质素纤维。图2、图3分别为速生草纤维与木质素纤维的外观形貌图。

图2 速生草纤维外观形貌

图3 木质素纤维外观形貌

各纤维基本技术指标见表5。

表5 纤维基本技术指标Table5 Basictechnicalindexesoffibers检验项目速生草木质素技术要求纤维长度/mm<5.5<6≤6粒度组成%通过0.85mm筛占92%;通过0.425mm筛占63%;通过0.106mm筛占28%灰分/%16191513.218±5pH7.77.17.37.27.5±1.0含水率/%4.74.54.34.8≤5耐热性(热失重率)/%5.35.75.5吸油率/倍9.27.3不小于纤维质量的5倍纤维相对密度(25℃)0.9430.897实测

1.2 试样制备

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)制备试件验证各纤维沥青混合料的路用性能。制备马歇尔稳定度试验试件时采用双面击实75次，制备冻融劈裂试验试件时采用双面击实50次。制备车辙试验试件采用300 mm×300 mm×50 mm的板块试模成型，使用轮碾机进行12次往返碾压。静压法成型试件时采用φ100 mm×180 mm的试模。低温弯曲试验时将车辙板试件切割成250 mm×30 mm×35 mm的棱柱体小梁试件。

1.3 试验方案

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行试验测试。测试马歇尔稳定度采用(60±1)℃恒温水槽保温30～40 min，加载速度为(50±5)mm/min。测试浸水马歇尔稳定度时在(60±1)℃的恒温水槽中持续保温48 h。冻融劈裂试验中，真空度为97.3～98.7 kPa，冷冻温度为-(18±2)℃，恒温水槽分别为(60±0.5)℃和(25±0.5)℃。车辙试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，往返碾压速度为(42 ±1)次/min。测试低温弯曲性能时，棱柱体小梁置于-10 ℃冰箱中保温不少于45 min,试验速率采用50 mm/min。老化试验中，短期老化温度与时间分别为(135±3)℃、240±5 min，并每小时进行一次翻拌，长期老化温度与时间分别为(85±3)℃、(120±0.5)h。具体试验方案与测试方法见图4。

图4 各纤维沥青混合料路用性能研究试验方案图

2 试验结果分析

2.1 纤维最佳掺量与混合料最佳油石比

各沥青混合料马歇尔稳定度试验结果见表6。

根据规范要求，确定混合料在马歇尔试件目标空隙率为(4±0.2)%的前提下，结合其他指标确定木质素纤维沥青混合料的最佳油石比为5.9%。同时，依据同样方法确定速生草纤维的最佳掺量为0.4%，混合料最佳油石比为6.5%。由表6数据可知，速生草植物纤维的用油量更大，这是由于速生草纤维的吸油率明显大于木质素纤维。从马歇尔稳定度结果来看，速生草纤维沥青混合料的稳定度值比木质素纤维沥青混合料低3.4%，其可能原因是木质素纤维的拉力强度高于速生草纤维[9]。

2.2 高温稳定性

各纤维沥青混合料车辙试验结果见表7。由表7可知，速生草植物纤维沥青混合料的动稳定度比木质素纤维沥青混合料低12.8%，表明其高温稳定性低于木质素纤维沥青混合料，但仍远高于规范对炎热地区的技术要求。造成这一结果的原因可能是[9-11]：① 由于速生草纤维有着比木质素纤维更高的吸油率，被纤维表面吸附的部分沥青没有成为有效沥青。当温度上升(60 ℃)时，沥青软化后降低了其对石料的粘结力。② 室内测试结果表明速生草纤维本身的拉力强度低于木质素纤维，故在被掺加入沥青混合料时没有起到比木质素纤维更好的加筋作用。

表6 马歇尔稳定度试验结果Table6 Marshallstabilitytestresults纤维种类纤维掺量/%油石比/%毛体积相对密度稳定度/kN流值/mmVV/%VMA/%VFA/%5.32.519.92.14.315.970.25.62.477.92.15.117.273.1木质素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技术要求>6.02～53.0～4.517.070～85

表7 各纤维沥青混合料路用性能测试结果Table7 Roadperformancetestresultsoffiberasphaltmixtures类别动稳定度/(次·mm-1)最大弯拉强度/με弯曲劲度模量/MPa浸水马歇尔残留稳定度/%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质素纤维98473503.53257.64717.44217.693.996.2速生草纤维85863846.33685.75160.54760.797.498.7规范要求≥3000≥3000≥80类别冻融劈裂残留强度比/%抗压回弹模量/MPa抗压强度/MPa老化程度未老化老化后未老化未老化木质素纤维96.397.71342.1(15℃)1211.3(20℃)6.98(15℃)6.57(20℃)速生草纤维98.798.51286.4(15℃)1174.9(20℃)6.42(15℃)6.12(20℃)规范要求≥80

2.3 低温抗裂性

采用-10 ℃下的三点弯曲试验评价纤维沥青混合料的低温抗裂性，结果见表7。根据测试结果，速生草纤维沥青混合料的最大弯拉强度和弯曲劲度模量分别比木质素纤维沥青混合料高9.78%和9.39%，表明速生草纤维沥青混合料的韧性和抗低温开裂能力更强。这主要是因为[12-14]：① 速生草纤维沥青混合料的最佳油石比高于木质素纤维。随着沥青用量的增加，混合料的延展性能得到提高，从而增强了其低温抗裂性能。② 速生草纤维拥有更优良的低温韧性，在温度降低时不易变脆，能够在低温条件下的沥青混合料中起到比木质素纤维更优的稳定效果。

2.4 水稳定性

从水稳定性结果来看(见表7)，速生草纤维沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂残留强度比都明显高于木质素纤维沥青混合料，表明速生草纤维沥青混合料具有更好的水稳定性。这一方面是因为速生草纤维的高吸油率在提高油石比的同时使裹覆石料的沥青薄膜增厚，从而减弱了水对沥青与石料界面的损伤作用。另一方面，木质素纤维比速生草纤维的亲水性能更强，长时间浸泡会使木质素纤维中吸收大量水分，这些水分在冰冻后的体积膨胀导致混合料内部的应力破坏与裹覆石料沥青薄膜的脱落。

2.5 力学性能

各纤维沥青混合料力学性能测试结果见表7。显而易见各混合料力学性能易受温度影响。当测试温度由15 ℃升至20 ℃时，木质素纤维沥青混合料的抗压回弹模量和抗压强度分别下降了9.75%和5.87%，速生草纤维混合料的对应值分别为8.67%和4.67%。同一温度下(如20 ℃)，速生草纤维混合料的抗压回弹模量和抗压强度分别比木质素纤维混合料低3.0%和6.8%，表明速生草纤维混合料的力学性能略低于木质素纤维。

实际上，纤维被掺入沥青混合料后可形成均匀分散的纤维网，使荷载均匀地分散到集料与沥青胶浆上，进而提高混合料的承载能力并防止裂缝进一步扩张[15]。由于木质素纤维的拉力强度高于速生草纤维，因而其加筋和桥接作用更加明显，力学性能更优。

2.6 老化性能

各纤维沥青混合料老化后的水稳定性、低温弯曲试验结果见表7。从数据结果来看，老化使木质素纤维沥青混合料的最大弯拉强度和弯曲劲度模量分别下降了7.02%和10.59%，而速生草植物纤维混合料的对应值分别为4.17%和7.75%。因而，老化会显著降低纤维沥青混合料的低温弯曲性能，但速生草植物纤维沥青混合料的低温性能降幅小于木质素纤维。此外，老化后，木质素纤维沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂残留强度比分别下降了2.3%和1.4%，速生草植物纤维混合料的对应值分别为+1.3%和-0.2%，说明热氧老化作用可提高沥青混合料的刚度，进而提高其残留稳定度。与木质素纤维相比，速生草纤维可有效减缓混合料老化对路用性能的影响，因而延长沥青路面的使用寿命。

速生草纤维可提高混合料老化性能的主要原因是其较高的沥青用量(吸油率)增加了集料表面沥青膜的裹覆厚度，因而提高了沥青与集料间的致密性，减少了沥青结合料中极性物质的氧化作用[16-17]。

3 结论

通过一系列室内试验研究了木质素和速生草纤维沥青混合料的路用性能，得出了以下结论：

a.速生草纤维有着比木质素纤维更大的吸油率，对沥青的吸附作用高于木质素纤维。在保持其他参数一致的条件下，速生草纤维沥青混合料的最佳油石比高于木质素纤维。

b.在两种纤维掺量相同的条件下，速生草纤维沥青混合料的低温抗裂性能、水稳定性和抗老化性能明显优于木质素纤维，其马歇尔强度、高温稳定性和力学性能略低于木质素纤维，但所有的性能指标均能满足现行规范要求。

c.在满足现行规范要求的前提下，速生草植物纤维的环保性和适用性明显，具有进一步改性与推广应用的重要意义。