木质素纤维对透水沥青混合料路用性能的影响研究

作者简介：

卢志远（1988—），工程师，主要从事路桥施工管理工作。

摘要：为研究木质素纤维对透水沥青混合料路用性能的影响，文章通过制备不同木质素纤维掺量的透水沥青混合料试件，对比分析了透水沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能以及水稳定性能变化规律。结果表明：（1）木质素纤维的掺入可以有效提升透水沥青混合料的高温稳定性能，且木质素纤维掺量选择0.4%时混合料高温稳定性能最佳;（2）透水沥青混合料的最大弯拉应变和弯曲劲度模量均随着木质素纤维掺量的增加而逐渐增大;（3）木质素纤维的掺入可以有效提升透水沥青混合料的水稳定性能，且木质素纤维掺量选择0.4%时混合料水稳定性能最佳。

关键词：透水沥青混合料;木质素纤维;高温性能;水稳定性能

中国分类号：U416.03A120404

0 引言

近年来，透水沥青混合料作为一种具有连通空隙的开级配新型混合料，因其优良的降噪性、透水性、抗滑及抗车辙等优点，已在我国排水沥青路面工程中得到广泛应用[1]。但由于混合料高孔隙率的原因，导致其抗侵蚀、抗压以及抗剪切能力均较低，在地形复杂或重荷载地段极易对透水沥青路面造成破坏[2]。因此，如何有效提升透水沥青混合料的路用性能已成为亟须研究的重要课题[3-4]。

目前，许多学者提出采用纤维来增强透水沥青混合料性能，如王子枫等[5]采用玄武岩纤维对透水沥青路面的力学性能进行改良，发现纤维的掺入提高了PAC-13混合料的有效空隙率和滲水系数，推荐采用0.3%的玄武岩纤维掺量;曹佳伟等[6]通过掺入玄武岩纤维，有效提升了透水沥青混合料的稳定性、抗变形能力以及抗疲劳开裂性能，推荐玄武岩纤维在透水沥青混合料中的最佳掺入长度为9.0 mm;王春阳[7]采用玻璃纤维和TPS高粘剂材料制备高性能透水沥青混合料，发现纤维掺量的增加会在一定程度上提升材料的低温抗裂性能，高温性能和水稳性能呈现先上升后下降的趋势，而透水性影响较小;郭志强[8]在沥青混合料中加入了不同长度和掺量的短切短纤维，发现当碳纤维长度为3 mm、碳纤维掺量为1%时，沥青混合料试件具有最大的弯拉应变和动稳定度以及最好的抗冻融劈裂效果。目前，学者对于采用玄武岩纤维来提升透水沥青混合料性能的研究已相对完善，而关于采用木质素纤维对透水沥青混合料性能的研究还相对较少。基于此，本文通过对PAC-13沥青混合料性能进行研究，并与不同木质素纤维掺量的PAC-13沥青混合料路用性能进行对比分析，证明了木质素纤维对提升其路用性能的效果。

1 试验原材料

（1）沥青：试验选用SBS改性沥青，其技术指标如表1所示。

（2）集料：粗集料选用玄武岩碎石，按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）规范要求测得各项技术指标如表2所示。细集料采用普通机制砂，其表观密度为2.7 g/cm3，坚固性为7.8%，棱角性（流动时间）为36 s。矿粉选用石灰岩矿粉，其表观密度为2.82 g/cm3，含水量为1.1%，外观无团粒结块。

（3）纤维：选用木质素纤维，按照《沥青路面用木质素纤维》（JT/T 533-2004）规范要求对其各项指标进行检测，结果如表3所示。

2 配合比设计

2.1 矿料级配设计

按照《透水沥青路面技术规程》（CJJ/T 190-2012）规范中PAC-13级配上、下限要求，通过调整各档矿料比例进行级配设计。PAC-13级配设计如表4所示。

2.2 马歇尔试验结果

透水沥青混合料的最佳沥青用量可通过飞散试验和析漏试验来确定，试验结果显示最佳沥青用量为4.9%。针对最佳沥青用量的透水沥青混合料进行马歇尔试验，以检测PAC-13级配设计与最佳沥青用量是否满足规范要求，结果如表5所示。

根据表5马歇尔试验结果可知，按照该配合比和最佳沥青用量制备的透水沥青混合料各项指标均能满足规范设计要求。

2.3 木质素纤维掺量设计

本文主要研究掺入木质素纤维对透水沥青混合料路用性能的影响，参考以往对于木质素纤维掺量的研究成果，纤维最佳掺量一般在0.2%～0.5%。基于此，本次研究分别制备木质素纤维掺量为0、0.2%、0.3%、0.4%及0.5%的透水沥青混合料试件，采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG-20-2011）规范中的车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验方法，分别评价不同木质素纤维掺量透水沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性能。

3 结果与分析

3.1 高温性能

为研究木质素纤维对透水沥青混合料高温稳定性能的影响，分别针对木质素纤维掺量为0、0.2%、0.3%、0.4%及0.5%的透水沥青混合料试件进行车辙试验，得到混合料的动稳定度变化曲线如下页图1所示。

根据图1可知，随着木质素纤维掺量的增加，透水沥青混合料的动稳定度呈先增大后减小趋势变化，说明木质素纤维的掺入对混合料的高温稳定性能存在一定影响。当纤维掺量由0增至0.4%时，混合料的动稳定度不断增大，但纤维掺量超过0.4%后，混合料的动稳定度开始逐渐减小，说明过量掺入木质素纤维并不会较大幅度提升透水沥青混合料的动稳定度。透水沥青混合料在分别掺入0.2%、0.3%、0.4%及0.5%木质素纤维后，相对于未掺入木质素纤维的混合料动稳定度分别提升了5.3%、9.5%、19%和17.4%，其中木质素纤维掺量为0.4%的透水沥青混合料动稳定度增幅效果更好。由此说明，木质素纤维的掺入可以有效提升透水沥青混合料的高温稳定性能，且木质素纤维掺量选择0.4%的混合料高温稳定性能最佳。

3.2 低温性能

为研究木质素纤维对透水沥青混合料低温抗裂性能的影响，分别针对木质素纤维掺量为0、0.2%、0.3%、0.4%及0.5%的透水沥青混合料试件进行低温小梁弯曲试验，得到混合料的最大弯拉应变及弯曲劲度模量变化曲线如图2所示。

根据图2可知，随着木质素纤维掺量的增加，透水沥青混合料的最大弯拉应变呈不断增大趋势变化，说明木质素纤维的掺入可以提升透水沥青混合料的最大弯拉应变。透水沥青混合料在分别掺入0.2%、0.3%、0.4%及0.5%木质素纤维后，相对于未掺入木质素纤维的混合料最大弯拉应变分别提升了1.2%、2.5%、5.3%和8%，其中木质素纤维掺量为0.4%和0.5%的透水沥青混合料动稳定度增幅效果相对明显。透水沥青混合料的弯曲劲度模量随着木质素纤维掺量的增加而增大，说明木质素纤维的掺入同样可提升透水沥青混合料的弯曲劲度模量。透水沥青混合料在分别掺入0.2%、0.3%、0.4%及0.5%木质素纤维后，相对于未掺入木质素纤维的混合料弯曲劲度模量分别提升了21.2%、26.7%、32.4%和37%，其中木质素纤维掺量为0.4%和0.5%的透水沥青混合料弯劲度模量增幅效果相对明显。由此说明，木质素纤维的掺入可有效提升透水沥青混合料的低温抗裂性能，且纤维掺量越大增幅效果越好。

3.3 水稳定性能

为研究木质素纤维对透水沥青混合料水稳定性能的影响，针对木质素纤维掺量分别为0、0.2%、0.3%、0.4%及0.5%的透水沥青混合料试件进行冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验，得到混合料的残留稳定度及冻融劈裂强度比变化曲线如图3所示。

根据图3可知，随着木质素纤维掺量的增加，透水沥青混合料的残留稳定度呈先增大后减小变化趋势。当纤维掺量由0增至0.4%时，混合料的残留稳定度不断增大，但纤维掺量超过0.4%后，混合料的残留稳定度开始逐渐减小;当木质素纤维掺量为0.4%时，透水沥青混合料残留稳定度达到最大值为92%，且此时混合料残留稳定度的增幅效果最好，增幅达8.2%。透水沥青混合料的冻融劈裂强度比随着木质素纤维掺量的增加同样呈先增大后减小变化趋势。当纤维掺量由0增至0.4%时，混合料的冻融劈裂强度比不断增大，但纤维掺量超过0.4%后，混合料的冻融劈裂强度比开始逐渐减小;当木质素纤维掺量为0.4%时，混合料的冻融劈裂强度比达到最大值为90%，且此时混合料冻融劈裂强度比的增幅效果最好，增幅达8.4%。由此说明，木质素纤维的掺入可以有效提升透水沥青混合料的水稳定性能，且木质素纤维掺量选择0.4%的混合料水稳定性能最佳。

4 结语

本文通过制备不同木质素纤维掺量的透水沥青混合料试件，并针对混合料的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性进行对比分析，得到以下主要结论：

（1）木质素纤维掺量由0增至0.4%时，混合料的动稳定度不断增大，但纤维掺量超过0.4%后，混合料的动稳定度开始逐渐减小，其中木质素纤维掺量为0.4%的透水沥青混合料动稳定度增幅达到19%，效果相对较优。

（2）木质素纤维的掺入可以有效提升透水沥青混合料的最大彎拉应变和弯曲劲度模量，且木质素纤维掺量越大增幅效果越好，说明掺入木质素纤维可有效提升透水沥青混合料的低温抗裂性能。

（3）木质素纤维掺量由0增至0.4%时，混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比逐渐增大，但纤维掺量超过0.4%后，残留稳定度和冻融劈裂强度比开始逐渐减小，其中木质素纤维掺量选择0.4%的混合料水稳定性能最佳。

参考文献：

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[5]王子枫，董元帅，侯 芸.玄武岩纤维透水沥青混凝土力学性能试验研究[J].公路，2020，65（8）：323-327.

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[7]王春阳.玻璃纤维透水沥青混合料路用性能试验研究[J].合成材料老化与应用，2021，50（1）：77-79.

[8]郭志强.碳纤维沥青混合料路用性能及作用机理研究[J].公路工程，2021，46（1）：180-183，188.

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