不同植物纤维改善沥青混合料性能研究

2024-03-05孙永新王朝秦张兰兰

合成材料老化与应用 2024年1期

刘浩，孙永新，王朝秦，张兰兰

（1 洛阳市腾元公路工程有限公司，河南洛阳 471000；2 华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南郑州 450046；3 洛阳市交通事业发展中心，河南洛阳 471026；4 洛阳市规划建筑设计研究院有限公司，河南洛阳 471023）

沥青混合料凭借出色的性能在我国高等级公路中得到了大量应用，但随着交通量的快速增长及大型化车辆的增加，导致常规的沥青路面过早出现大量的病害，损害其使用性能和服役寿命。使用改性沥青或添加外加材料是提高沥青混合料性能的常用方法，其中纤维稳定剂是一种典型的外加材料，具有材料易于取得、添加方式简单、性能改善效果好等特点，在沥青路面建设与养护工程得到了广泛应用。纤维稳定剂在沥青混合料中通过吸附作用、加筋作用、桥接作用和稳定作用，有效改善了混合料的整体性能，使其能够承担沉重的交通荷载、繁重的交通量和恶劣的环境条件，扩展了沥青混合料的应用范围[1-2]。沥青混合料中添加的纤维稳定剂主要有合成纤维、植物纤维和矿物纤维等，其中聚酯纤维、聚丙烯纤维、木质素纤维、玄武岩纤维应用的相对较多，而其他植物纤维如竹纤维和剑麻纤维等较少采用。但竹纤维和剑麻纤维属于绿色、环保、可再生资源，原料分别为毛竹和剑麻，具有生产周期快、时间短的特点，不像木质素纤维的原料多为原木（针叶林、阔叶林），成才周期较长，大规模使用会破坏我国宝贵的森林资源，因此推广其他植物纤维在沥青混合料的应用具有广阔的前景和显著的社会、环境效益。

木质素纤维是《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中推荐采用的稳定剂，主要应用于SMA混合料中，规范中给出了纤维质量技术要求、添加量和存放要求等。竹纤维和剑麻纤维的使用也有效改善了沥青混合料的力学与路用性能，但这些纤维在沥青混合料中应用的时间相对较短，尚处于研究探索阶段，没有制定可推广的指标要求。李静等[3]研究了竹纤维对沥青混合料高温性能和低温抗裂性能的改善效果，确定了竹纤维的最佳掺量和长度，推荐1cm、2cm和3cm长竹纤维的最佳掺量分别为2.5%、2.0%和1.5%。Yu等[4]研究了竹纤维改性对沥青混合料性能的增强效果，发现三聚氰胺-甲醛共聚物的使用改善了竹纤维与沥青胶浆的界面结合能力，且提高了沥青混合料的强度和路用性能，尤其是抗低温破坏能力和水损害能力。Jia等[5]研究指出，沥青混合料掺加0.3%的竹纤维或聚酯纤维，则有效提高了沥青混合料的动态模量和疲劳寿命，其中竹纤维沥青混合料疲劳寿命略低于聚酯纤维沥青混合料。Cui等[6]研究了不同纤维表面处理工艺对纤维改性沥青性能的影响，指出竹纤维表面经硅烷偶联剂、碱处理和热处理后，可有效提高纤维改性沥青的疲劳寿命，其中硅烷偶联剂处理竹纤维表面则对沥青流变性和润湿性的改善效果最明显。艾畅等[7]研究了剑麻纤维对高模量沥青混合料低温性能的改善效果，发现高模量沥青混合料掺加0.3%的6mm长剑麻纤维，则对混合料低温性能的改善效果最好，且同时可提升混合料的高温性能和水稳性能。陆宏新等[8]研究指出，剑麻纤维经碱处理后可提高集料表面的沥青膜厚度，改善沥青与集料的界面结合能力，相应提升混合料的路用性能。Ramalinga等[9]研究发现，沥青混合料掺加低剂量的剑麻纤维后，疲劳寿命和抗水损害能力显著提高；根据路用性能试验结果，建议所选混合料掺加剑麻纤维的剂量和长度分别为0.05%和15mm。柳一村等[10]研究指出，AC-13混合料掺加0.2%的剑麻纤维可显著改善其高温性能和低温抗裂性能。以上研究说明竹纤维和剑麻纤维对沥青混合料性能的改善效果，但主要从纤维剂量与长度和纤维表面处理方式等方面开展研究；沥青混合料掺加木质素纤维、竹纤维和剑麻纤维等后，其性能改善效果及作用机理是否存在差异目前仍缺乏深入的研究，不利于竹纤维和剑麻纤维在道路中的推广应用。

基于此，本文以SMA-13和AC-13混合料为试验对象，研究植物纤维添加对沥青混合料性能改善效果的影响。通过强度试验、车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验和浸水飞散试验对比不同纤维的改善效果差异，揭示性能变化产生的原因，并采用方差分析探讨混合料与纤维类型因素对混合料性能的影响差异，以期为植物纤维在沥青路面中应用提供参考。

1 试验部分

1.1 试验材料

沥青结合料选用SBS改性沥青，关键技术指标见表1。粗细集料分别选用玄武岩和石灰岩石料经破碎制得，矿粉采用石灰岩石料通过磨细工艺得到，技术指标均达到规范要求。SMA-13和AC-13混合料选取的矿料级配如图1所示。

图1 选取的矿料级配Fig. 1 Selected aggregate gradation

表1 SBS改性沥青关键技术指标Table 1 Key technical indicators of SBS modified asphalt

纤维稳定剂采用木质素纤维、竹纤维和剑麻纤维，并通过干法工艺添加到沥青混合料中；AC-13和SMA-13混合料中不同植物纤维的添加量为0.3%，纤维长度统一为6mm，纤维的基本技术指标如见表2。不同沥青混合料的最佳沥青用量采用马歇尔试验方法确定，具体见表3。

表2 不同纤维的技术指标Table 2 Technical indicators of different fibers

表3 不同沥青混合料最佳油石比Table 3 Optimal asphalt-aggregate ration of different asphalt mixtures

1.2 测试方法

采用单轴压缩试验、车辙试验、弯曲试验、冻融劈裂试验和浸水飞散试验测试不同纤维沥青混合料的强度和路用性能，分析植物纤维对沥青混合料性能改善效果，具体试验条件见表4。

表4 试验方法和条件Table 4 Test methods and conditions

2 结果与讨论

2.1 植物纤维对沥青混合料强度的影响

不同沥青混合料掺加纤维前后的单轴压缩试验结果如图2所示。从图2中看出：①植物纤维的掺加有效提高了沥青混合料的力学强度，降低了混合料发生破坏的概率，相比未掺加纤维的AC-13混合料，掺加木质素纤维、竹纤维和剑麻纤维的沥青混合料抗压强度分别提高39.7%、31.6%和28.5%，纤维在混合料中有效发挥了吸附、稳定等作用，提高了结构沥青的含量，使其能够承担更重的荷载作用；②不同纤维对AC-13和SMA-13混合料抗压强度的增强效果存在差异，不同纤维沥青混合料的抗压强度大小为：木质素纤维＞竹纤维＞剑麻纤维，说明竹纤维和剑麻纤维的增强效果略低于木质素纤维，但仍具有明显的增强效果。改善效果存在差异的原因为木质素纤维的密度相对较小，相同质量条件下木质素纤维的数量较多，在混合料中形成的网状结构较密，能够显著提高混合料的抗荷载破坏能力。

图2 单轴压缩试验结果Fig.2 Result of uniaxial compression test

2.2 植物纤维对沥青混合料高温性能的影响

AC-13和SMA-13沥青混合料的抗车辙试验结果如图3所示。由图3可知：①AC-13沥青混合料掺加木质素纤维、竹纤维和剑麻纤维后，动稳定度分别提高42.8%、38.2%和27.2%，植物纤维的使用有效改善了混合料的高温抗车辙性能，降低了沥青路面车辙病害发生的概率，混合料中分散均匀的纤维有效吸收沥青的轻质组分，提高了结合料的黏度，使其在高温下不容易发生软化现象；同时纤维在混合料中形成三维网状结构，有效限制了矿料的移动，提高了混合料抗变形的能力；②木质素纤维、竹纤维和剑麻纤维对AC-13和SMA-13混合料高温性能的改善效果依次降低，掺有木质素纤维的沥青混合料具有更好的高温性能，但掺有竹纤维和剑麻纤维的沥青混合料动稳定度也明显高于规范要求。原因是所选纤维稳定剂的密度不同，导致混合料中添加纤维的数量存在差异，影响纤维改善作用的发挥。

图3 不同沥青混合料车辙试验结果Fig.3 Result of rut test

2.3 植物纤维对沥青混合料低温抗裂性能的改善作用

不同沥青混合料掺加纤维前后的低温弯曲试验结果如图4所示。从图4中得知：①AC-13沥青混合料中植物纤维的掺加，有效提高了其低温抗裂性能，相比未掺加纤维的沥青混合料，掺有木质素纤维、竹纤维和剑麻纤维的AC-13沥青混合料破坏应变分别提高8.4%、19.5%和10.7%，均匀分散在沥青混合料中植物纤维有效发挥了加筋和桥接等作用，提高了混合料的柔韧性，使其试件在荷载作用下不容易被拉断，因此低温抗裂性能得到增强；②不同植物纤维对AC-13和SMA-13混合料低温性能的改善效果存在差异，不同纤维沥青混合料的弯曲破坏应变大小为：竹纤维＞剑麻纤维＞木质素纤维，说明竹纤维和剑麻纤维的改善效果相对较好。原因一方面为不同植物纤维的抗拉强度存在差异，其中竹纤维和剑麻纤维的抗拉强度相对较高，促使其能够承担更重的荷载，从而提升混合料整体的抗拉强度；另一方面为竹纤维的吸油率较高，其掺有该纤维的沥青混合料的沥青用量较大，这可使矿料表面的沥青膜更厚，从而增强混合料的柔韧性，且沥青混合料的低温抗裂性能主要受沥青的影响，油石比的增大使其更多的结构沥青分散荷载作用，因此竹纤维沥青混合料的低温抗裂性能相对最好。

图4 不同沥青混合料低温弯曲试验结果Fig.4 Result of low temperature bending test

2.4 植物纤维对沥青混合料水稳性能的影响

AC-13和SMA-13沥青混合料的冻融劈裂试验结果如图5所示。

图5 不同沥青混合料冻融劈裂试验结果Fig.5 Result of freeze-thaw splitting test

图5 中数据显示：①植物纤维的掺加有效改善了AC-13混合料的水稳性能，相比未掺加纤维的AC-13沥青混合料，掺加木质素纤维、竹纤维和剑麻纤维的混合料残留强度比分别提高9.3%、13.5%和10.8%。说明竹纤维和剑麻纤维也能够改善混合料的水稳性能，这是因为植物纤维的使用有效增加了混合料中的结构沥青含量和黏度，促使沥青与矿料间的界面结合能力增强，降低水分的渗入及其对沥青膜的破坏效应；②竹纤维、剑麻纤维、木质素纤维对沥青混合料水稳性能的改善效果依次降低，竹纤维的改善效果相对最好。这是因为竹纤维的吸水率较低，在水分侵蚀时能够延缓和降低水分的渗入，水分不容易造成矿料表面沥青膜的脱落；另一方面竹纤维的吸油率较高，提高了沥青混合料的沥青用量，这会增加沥青膜的厚度，同时也说明竹纤维的表面较粗糙，竹纤维与沥青胶浆的黏结能力较强，不容易诱使水分的侵入和破坏，故竹纤维沥青混合料表现出较好的抗水损性能。

2.5 植物纤维对沥青混合料抗松散能力评价

不同沥青混合料浸水飞散试验结果如图6所示。由图6可知：竹纤维、剑麻纤维、木质素纤维均能够增强沥青-矿料间的黏结力，降低沥青混合料的脱落、掉粒和飞散现象，提高沥青路面的安全运营水平。不同植物纤维对沥青-矿料间黏结力的增强效果存在差异，不同纤维沥青混合料的飞散损失率大小为：木质素纤维＞剑麻纤维＞竹纤维，说明竹纤维对沥青-矿料间黏结力的改善效果相对最好，使其具有的较好的抗松散能力，从而提升沥青混合料的水稳定性能。这是因为竹纤维具有较低的吸水率，能够降低水分渗入沥青-矿料界面结合处，减少沥青膜的脱落现象，增强沥青-矿料间的黏结力。

图6 不同沥青混合料浸水飞散试验结果Fig.6 Result of immersion dispersion test

2.6 植物纤维沥青混合料性能影响方差分析

为认清混合料及植物纤维类型对沥青混合料性能影响的显著性，采用SPSS软件对以上试验结果开展方差分析，分析结果见表5。由表5可知：所选因素混合料类型与纤维类型对沥青混合料性能均有显著影响，其中混合料类型对沥青混合料性能产生的影响更显著，但纤维类型对其产生的影响也不能忽略，应结合沥青混合料性能变化确定合适的纤维类型，使其达到较好的性价比。