木质素复配玻璃纤维沥青混合料力学特性研究

罗少粉

【摘要：】为改善沥青混合料的力学性能，文章采用玻璃纤维与木质素作为复配外加剂，研究不同长度玻璃纤维复配不同掺量木质素对沥青混合料空隙率、矿料间隙率、饱和度等体积指标以及稳定度、不同温度弹性模量等力学指标的影响。结果显示：玻璃纤维与木质素复配方案对沥青混合料空隙率、矿料间隙率以及饱和度等体积指标影响较大;长度为12 mm的玻璃纤维可以提高沥青混合料弹性模量，且弹性模量随复配木质素掺量提高呈现先增大后减小的规律;长度为6 mm的玻璃纤维则降低了混合料弹性模量，复配木质素后弹性模量随复配掺量增加而提高;长度为12 mm的玻璃纤维复配试样相较6 mm的玻璃纤维试样具有较低的温度敏感系数。

【关键词：】木质素;玻璃纤维;沥青混合料;马歇尔试验;弹性模量

U416.03A260795

0 引言

为适应不同气候条件、不同服役环境使用要求，研究人员在改善沥青混合料技术性能方面做了大量工作。其中，外加剂作为一种可行的改性方案，對沥青或沥青混合料性能具有良好提升效果。常用的外加剂有聚合物、纤维、纳米材料等，目前对于上述外加剂的研究相对较多，如有研究者采用黑色纳米碳、碳纳米管、纳米黏土等纳米材料对沥青进行改性，并评价了纳米材料对沥青及沥青混合料性能的影响，研究表明纳米材料对沥青混合料具有积极的影响[1-3]。对聚合物改性沥青的研究更加广泛，如SBS、SRR及胶粉类改性沥青等[4-6]。另外，纤维类改性剂作为SMA或高黏沥青的有效改性剂，应用也相对广泛[7-9]。

上述改性方案均取得了较好的研究成果，但为适用于更广泛、更严苛的环境，有必要对沥青及沥青混合料改性做更为深入的研究。其中木质素（区别于目前沥青改性常用的木质素纤维）是一种常见的天然高分子材料，具有可再生、来源广泛的优点。玻璃纤维作为纤维材料的一种，对沥青混合料具有良好的改性效果。为了综合改善沥青及沥青混合料性能，本文尝试将木质素与玻璃纤维复配对沥青及沥青混合料进行综合改性。试验采用不同掺量木质素和两种长度玻璃纤维得到复配方案。拟采用马歇尔试验对沥青混合料体积指标及力学性能进行表征，采用不同温度下弹性模量对复配沥青混合料模量特征进行评估，最终推荐出适合的复配方案。

1 原材料

1.1 木质素与玻璃纤维

本文所用木质素为黑色粉末，于造纸工业废料中提取，粒径分布在0.5～200 μm之间，其元素组成如表1所示。采用6 mm和12 mm两种针状玻璃纤维，其主要技术指标如表2所示。

1.2 沥青混合料

沥青采用东海牌70#基质沥青，相关性能指标如表3所示。

采用石灰岩粗集料（4.75～9.5 mm、9.5～19.0 mm、19.0～26.5 mm）、石灰岩细集料（0～2.36 mm、2.36～4.75 mm）以及石灰岩矿粉，采用AC-25C级配制备沥青混合料。混合料配合比设计如下页图1所示。经配合比设计确定最佳油石比为3.9%。

1.3 复配添加剂比例设计

玻璃纤维主要通过与集料混合加入方式对沥青混合料进行改性。本文为研究玻璃纤维长度对混合料性能的影响，采用固定掺量（混合料质量比0.3%）下不同长度玻璃纤维与不同掺量木质素进行复配。试验设计复配组合如表4所示。

1.4 木质素沥青制备

根据添加剂性质，玻璃纤维可采用与集料混合干拌的方式进行沥青混合料制备。而木质素由于粒径较小、易发生团聚的特性，需提前将其与沥青混合制备成木质素沥青。制定木质素沥青制备工艺如下：将沥青加热至163 ℃备用，将木质素缓慢加入熔融沥青中，边加入边搅拌，采用高速剪切机在3 000 r/min下恒温搅拌10 min。

2 体积指标影响

采用表4的复配方案，按照规范制作标准马歇尔沥青混合料试件，其中混合料双面击实各75次。木质素添加到沥青中剪切拌和均匀后，将玻璃纤维与集料同时加入拌和制备沥青混合料试件。将各混合料试件进行体积指标试验，试验结果及分析如下。

2.1 空隙率

对各复配沥青混合料试件进行空隙率测试，试验结果如图2所示（无外掺剂试件空隙率为4%）。

分析图2可知：与无任何外掺剂的对照组相比，掺入木质素及玻璃纤维后沥青混合料空隙率均增大。这是由于掺入外加剂后沥青黏度增大，结构沥青含量增加、自由沥青含量减少，使得沥青混合料更易形成空隙更大的“骨架”结构。另外，随着木质素掺量增大，沥青混合料空隙率整体呈现增大趋势。相比而言，同木质素掺量下，6 mm玻璃纤维沥青混合料空隙率更大，表明6 mm玻璃纤维比12 mm玻璃纤维对沥青混合料空隙率影响更大。因此，在进行木质素复配玻璃纤维沥青混合料配合比设计时，应充分考虑外加剂掺入对空隙率变化的影响。

2.2 矿料间隙VMA

对各复配沥青混合料试件进行矿料间隙率测试，试验结果如图3所示。

分析图3可知：掺入外加剂后，沥青混合料矿料间隙率整体呈现增大趋势。这是由于掺入外加剂后木质素与纤维复配改性剂增大了沥青黏度，增加了沥青混合料中结构沥青的比例，使得混合料更易形成骨架结构，进而增加了矿料间隙率以及空隙率。相较而言，6 mm玻璃纤维复配方案对矿料间隙率增大幅度更明显，这与空隙率试验结果一致，表明6 mm玻璃纤维对沥青混合料的影响更显著。

2.3 饱和度VFA

对各复配沥青混合料试件进行饱和度测试，试验结果如图4所示。

分析图4可知：同对照试样相比，掺加外加剂后沥青混合料饱和度均减小。由饱和度计算公式式（1）可知，矿料间隙率变化不大时，空隙率增大将导致饱和度减小。整体而言，12 mm玻璃纤维复配试样较6 mm玻璃纤维试样饱和度大，表明其对沥青混合料饱和度降低幅度影响相对较小。沥青混合料饱和度随木质素掺量增加未呈现明显变化规律，表明复配材料作用对沥青混合料体积指标的影响较复杂，需结合其他指标进行验证分析。CB9D15CF-157F-441D-8AAC-15910BCC95BB

VFA=（VMA-VV）/VMA （1）

3 稳定度试验

为进一步研究玻璃纤维与木质素复配方案对沥青混合料的影响，采用稳定度试验进行力学性能研究分析。试验结果及分析如下。

3.1 稳定度

不同复配方案沥青混合料试件稳定度试验结果如图5所示。

分析可知：

（1）长度为12 mm的玻璃纤维与木质素复配后，所有试样马歇尔强度均较对照试样有所提高。其中，12 mm的玻璃纤维与9%木质素复配试样增大幅度最高，而长度为6 mm的玻璃纤维除9%木质素掺量外，稳定度均降低。综合分析，掺入玻璃纤维后，沥青黏度增大，提高了其抗变形能力。同时，纤维长度对沥青及沥青混合料性能也具有较大影响。另外，纤维越长，在沥青混合料拌和时容易引起团聚与缠绕，使用时应予以考虑。

（2）与仅掺入玻璃纤维试样（木质素掺量为0）相比，掺入木质素后混合料稳定度均有所提高，且长度为12 mm

的玻璃纤维试样提高幅度更加显著。另外，不同长度玻璃纤维复配沥青混合料试样稳定度随木质素纤维掺量增加呈现相同的变化规律。整体而言，随着木质素掺量增大，沥青混合料稳定度先增大后减小。这是由于木质素含量增大，沥青的黏度增加，提高了混合料高温抗变形性能。但由于马歇尔稳定度试验是在浸水条件下完成，受混合料空隙率等体积指标影响，当混合料空隙率过大（6%木质素掺量）时，其稳定度将会受到一定影响。

（3）所有试样中，9LF12试样稳定度最大，其复配方案为0.3%玻璃纤维（占沥青混合料质量百分比）、9%木质素（占沥青质量百分比），其较无外加剂试样稳定度提高了38.2%。同时，3LF12也具有较高的稳定度，表明该复配方案也具有一定的可行性。

3.2 流值

不同复配方案沥青混合料试件流值试验结果如图6所示。

流值指沥青混合料试样在加载破坏前在加载方向的最大变形。一般当稳定度较大、流值较小时可认为沥青混合料强度较高。与对照组相比，在沥青混合料中掺加外加剂后，所有试样流值均有所增大。采用两种类型玻璃纤维沥青混合料流值均增大，且仅掺玻璃纤维试样流值更高。与不使用木质素时相比，长度为12 mm的玻璃纤维与木质素组合对沥青混合料的流值增加幅度更加明显。

从单一变形量而言，流值增加表示混合料抗变形能力降低。但从另一方面而言，流值增大也可能是由于沥青混合料柔韧性更强，破坏时可吸收更多的能量，进而承受更大的应变。因此，有必要结合沥青混合料其他物理力学性能作进一步分析。

4 弹性模量

为了研究木质素与玻璃纤维复配改性沥青混合料的弹性模量特性，选取15 ℃、25 ℃两个试验温度进行回弹模量试验。试验前将试样置于测试温度下保温24 h备用，试验频率为1 Hz，每个加载周期为1 s，采用半正弦加载方式。其中，加载时长为0.1 s，恢复时长为0.69 s。不同玻璃纤维长度复配木质素纤维改性沥青混合料弹性模量试验结果及分析如下。

4.1 15 ℃弹性模量

对6 mm、12 mm两种长度玻璃纤维复配不同掺量木质素改性沥青混合料進行15 ℃弹性模量测试，试验结果如图7所示。

分析图7可知：

（1）长度为12 mm的玻璃纤维复配试样与未掺外加剂试样相比，仅加入玻璃纤维后，试样弹性模量增大。与仅掺入玻璃纤维试样相比，复配加入木质素后，弹性模量仍增大。当掺量为9%时弹性模量达到最大，为未掺外加剂试样的1.3倍。

（2）长度为6 mm的玻璃纤维复配试样与未掺外加剂试样相比，仅加入玻璃纤维后，试样弹性模量出现减小。当复配木质素后，随着木质素掺量的增大弹性模量整体呈现增大趋势，但当掺量达到12%时，试样的15 ℃弹性模量仍小于未掺外加剂试样。

（3）综合分析，玻璃纤维与木质素复配试样弹性模量与玻璃纤维长度及木质素掺量存在复杂的复配关系。仅就15 ℃弹性模量而言，推荐优先采用12 mm玻璃纤维，木质素复配掺量应控制在9%以内。当采用6 mm玻璃纤维时，复配方案会对沥青混合料试样的15 ℃弹性模量产生负面影响。

4.2 25 ℃弹性模量

对6 mm、12 mm两种长度玻璃纤维复配不同掺量木质素改性沥青混合料进行25 ℃弹性模量测试，试验结果如图8所示。

分析图8可知：与15 ℃弹性模量试验结果对比，不同长度玻璃纤维复配试样在25 ℃弹性模量变化规律与15 ℃基本一致，即长度为12 mm的玻璃纤维试样掺入后，其25 ℃弹性模量提高，且复配木质素时，随木质素掺量增大弹性模量先增大后减小;长度为6 mm的玻璃纤维掺入后降低了25 ℃弹性模量，但复配木质素后模量逐渐增大。不同之处在于，长度为12 mm的玻璃纤维复配试样在6FL12（纤维长度为12 mm、木质素掺量6%）时，25 ℃弹性模量最大。同时，当试验温度为25 ℃时，弹性模量变化幅度较15 ℃小。

4.3 温度敏感性

为了进一步对复配试样力学特性进行研究，采用不同温度下弹性模量变化幅度对试样温度敏感性进行表征。定义温度敏感系数计算公式如式（2）所示。

温度敏感系数=25 ℃弹性模量/15 ℃弹性模量×100%（2）

由于温度升高，沥青混合料试样弹性模量降低。根据温度敏感系数定义，敏感系数越低，表示弹性模量随温度变化越不敏感，即试样弹性模量降低幅度越小，表明其具有较好的力学特性。对照试验结果分析可知，12 mm玻璃纤维复配试样的温度敏感系数显著低于6 mm玻璃纤维试样。12 mm玻璃纤维试样温度敏感系数值变化幅度较小，与对照试样基本一致，且当木质素掺量达到9%后，温度敏感性进一步降低。见图9。

5 结语

本文采用不同长度玻璃纤维与不同掺量木质素进行复配对沥青混合料进行改性，研究了复配方案对混合料关键体积指标、稳定度及弹性模量等力学特性的影响规律，得出如下结论：CB9D15CF-157F-441D-8AAC-15910BCC95BB

（1）单一玻璃纤维及玻璃纤维与木质素复配方案对沥青混合料空隙率、矿料间隙率以及饱和度等体积指标影响较大。在进行木质素复配玻璃纤维沥青混合料配合比设计时，应充分考虑外加剂掺入对体积指标变化的影响，不能完全采用未掺外加剂的配合比设计参数。

（2）长度为12 mm的玻璃纤维可以提高沥青混合料弹性模量，且弹性模量随复配木质素掺量增加呈现先增大后减小的规律。长度为6 mm的玻璃纤维则降低了混合料弹性模量，复配木质素后弹性模量随复配掺量增加而提高。

（3）对比不同温度弹性模量，长度为12 mm的玻璃纤维复配试样相较6 mm的玻璃纤维试样具有较低的温度敏感系数，表明其具有较好的力学特性。综合分析，推荐采用6FL12、9LF12复配方案对沥青混合料进行改性。

（4）为控制其他影响因素对试验结果的影响，试验设计选取了同一合成级配及最佳油石比进行对比分析。由试验结果可知，复配方案对沥青混合料体积指标及力学性能的影响较大，建议有条件的研究者可参照上述试验规律将各复配方案进行单独配合比设计，然后再进行相关性能对比分析。另外，试验结果显示复配方案对稳定度、流值试验及体积指标等结果影响复杂，而对弹性模量影响规律较为明显，建议条件允许时应采用弹性模量等测试方法对沥青混合料进行深入对比研究。

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