木質(zhì)素復(fù)配玻璃纖維瀝青混合料力學(xué)特性研究

羅少粉

【摘要：】為改善瀝青混合料的力學(xué)性能，文章采用玻璃纖維與木質(zhì)素作為復(fù)配外加劑，研究不同長(zhǎng)度玻璃纖維復(fù)配不同摻量木質(zhì)素對(duì)瀝青混合料空隙率、礦料間隙率、飽和度等體積指標(biāo)以及穩(wěn)定度、不同溫度彈性模量等力學(xué)指標(biāo)的影響。結(jié)果顯示：玻璃纖維與木質(zhì)素復(fù)配方案對(duì)瀝青混合料空隙率、礦料間隙率以及飽和度等體積指標(biāo)影響較大;長(zhǎng)度為12 mm的玻璃纖維可以提高瀝青混合料彈性模量，且彈性模量隨復(fù)配木質(zhì)素?fù)搅刻岣叱尸F(xiàn)先增大后減小的規(guī)律;長(zhǎng)度為6 mm的玻璃纖維則降低了混合料彈性模量，復(fù)配木質(zhì)素后彈性模量隨復(fù)配摻量增加而提高;長(zhǎng)度為12 mm的玻璃纖維復(fù)配試樣相較6 mm的玻璃纖維試樣具有較低的溫度敏感系數(shù)。

【關(guān)鍵詞：】木質(zhì)素;玻璃纖維;瀝青混合料;馬歇爾試驗(yàn);彈性模量

U416.03A260795

0 引言

為適應(yīng)不同氣候條件、不同服役環(huán)境使用要求，研究人員在改善瀝青混合料技術(shù)性能方面做了大量工作。其中，外加劑作為一種可行的改性方案，對(duì)瀝青或?yàn)r青混合料性能具有良好提升效果。常用的外加劑有聚合物、纖維、納米材料等，目前對(duì)于上述外加劑的研究相對(duì)較多，如有研究者采用黑色納米碳、碳納米管、納米黏土等納米材料對(duì)瀝青進(jìn)行改性，并評(píng)價(jià)了納米材料對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的影響，研究表明納米材料對(duì)瀝青混合料具有積極的影響[1-3]。對(duì)聚合物改性瀝青的研究更加廣泛，如SBS、SRR及膠粉類(lèi)改性瀝青等[4-6]。另外，纖維類(lèi)改性劑作為SMA或高黏瀝青的有效改性劑，應(yīng)用也相對(duì)廣泛[7-9]。

上述改性方案均取得了較好的研究成果，但為適用于更廣泛、更嚴(yán)苛的環(huán)境，有必要對(duì)瀝青及瀝青混合料改性做更為深入的研究。其中木質(zhì)素（區(qū)別于目前瀝青改性常用的木質(zhì)素纖維）是一種常見(jiàn)的天然高分子材料，具有可再生、來(lái)源廣泛的優(yōu)點(diǎn)。玻璃纖維作為纖維材料的一種，對(duì)瀝青混合料具有良好的改性效果。為了綜合改善瀝青及瀝青混合料性能，本文嘗試將木質(zhì)素與玻璃纖維復(fù)配對(duì)瀝青及瀝青混合料進(jìn)行綜合改性。試驗(yàn)采用不同摻量木質(zhì)素和兩種長(zhǎng)度玻璃纖維得到復(fù)配方案。擬采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料體積指標(biāo)及力學(xué)性能進(jìn)行表征，采用不同溫度下彈性模量對(duì)復(fù)配瀝青混合料模量特征進(jìn)行評(píng)估，最終推薦出適合的復(fù)配方案。

1 原材料

1.1 木質(zhì)素與玻璃纖維

本文所用木質(zhì)素為黑色粉末，于造紙工業(yè)廢料中提取，粒徑分布在0.5～200 μm之間，其元素組成如表1所示。采用6 mm和12 mm兩種針狀玻璃纖維，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.2 瀝青混合料

瀝青采用東海牌70#基質(zhì)瀝青，相關(guān)性能指標(biāo)如表3所示。

采用石灰?guī)r粗集料（4.75～9.5 mm、9.5～19.0 mm、19.0～26.5 mm）、石灰?guī)r細(xì)集料（0～2.36 mm、2.36～4.75 mm）以及石灰?guī)r礦粉，采用AC-25C級(jí)配制備瀝青混合料?；旌狭吓浜媳仍O(shè)計(jì)如下頁(yè)圖1所示。經(jīng)配合比設(shè)計(jì)確定最佳油石比為3.9%。

1.3 復(fù)配添加劑比例設(shè)計(jì)

玻璃纖維主要通過(guò)與集料混合加入方式對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性。本文為研究玻璃纖維長(zhǎng)度對(duì)混合料性能的影響，采用固定摻量（混合料質(zhì)量比0.3%）下不同長(zhǎng)度玻璃纖維與不同摻量木質(zhì)素進(jìn)行復(fù)配。試驗(yàn)設(shè)計(jì)復(fù)配組合如表4所示。

1.4 木質(zhì)素瀝青制備

根據(jù)添加劑性質(zhì)，玻璃纖維可采用與集料混合干拌的方式進(jìn)行瀝青混合料制備。而木質(zhì)素由于粒徑較小、易發(fā)生團(tuán)聚的特性，需提前將其與瀝青混合制備成木質(zhì)素瀝青。制定木質(zhì)素瀝青制備工藝如下：將瀝青加熱至163 ℃?zhèn)溆茫瑢⒛举|(zhì)素緩慢加入熔融瀝青中，邊加入邊攪拌，采用高速剪切機(jī)在3 000 r/min下恒溫?cái)嚢?0 min。

2 體積指標(biāo)影響

采用表4的復(fù)配方案，按照規(guī)范制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾瀝青混合料試件，其中混合料雙面擊實(shí)各75次。木質(zhì)素添加到瀝青中剪切拌和均勻后，將玻璃纖維與集料同時(shí)加入拌和制備瀝青混合料試件。將各混合料試件進(jìn)行體積指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

2.1 空隙率

對(duì)各復(fù)配瀝青混合料試件進(jìn)行空隙率測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示（無(wú)外摻劑試件空隙率為4%）。

分析圖2可知：與無(wú)任何外摻劑的對(duì)照組相比，摻入木質(zhì)素及玻璃纖維后瀝青混合料空隙率均增大。這是由于摻入外加劑后瀝青黏度增大，結(jié)構(gòu)瀝青含量增加、自由瀝青含量減少，使得瀝青混合料更易形成空隙更大的“骨架”結(jié)構(gòu)。另外，隨著木質(zhì)素?fù)搅吭龃?，瀝青混合料空隙率整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。相比而言，同木質(zhì)素?fù)搅肯拢? mm玻璃纖維瀝青混合料空隙率更大，表明6 mm玻璃纖維比12 mm玻璃纖維對(duì)瀝青混合料空隙率影響更大。因此，在進(jìn)行木質(zhì)素復(fù)配玻璃纖維瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮外加劑摻入對(duì)空隙率變化的影響。

2.2 礦料間隙VMA

對(duì)各復(fù)配瀝青混合料試件進(jìn)行礦料間隙率測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知：摻入外加劑后，瀝青混合料礦料間隙率整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。這是由于摻入外加劑后木質(zhì)素與纖維復(fù)配改性劑增大了瀝青黏度，增加了瀝青混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的比例，使得混合料更易形成骨架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增加了礦料間隙率以及空隙率。相較而言，6 mm玻璃纖維復(fù)配方案對(duì)礦料間隙率增大幅度更明顯，這與空隙率試驗(yàn)結(jié)果一致，表明6 mm玻璃纖維對(duì)瀝青混合料的影響更顯著。

2.3 飽和度VFA

對(duì)各復(fù)配瀝青混合料試件進(jìn)行飽和度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知：同對(duì)照試樣相比，摻加外加劑后瀝青混合料飽和度均減小。由飽和度計(jì)算公式式（1）可知，礦料間隙率變化不大時(shí)，空隙率增大將導(dǎo)致飽和度減小。整體而言，12 mm玻璃纖維復(fù)配試樣較6 mm玻璃纖維試樣飽和度大，表明其對(duì)瀝青混合料飽和度降低幅度影響相對(duì)較小。瀝青混合料飽和度隨木質(zhì)素?fù)搅吭黾游闯尸F(xiàn)明顯變化規(guī)律，表明復(fù)配材料作用對(duì)瀝青混合料體積指標(biāo)的影響較復(fù)雜，需結(jié)合其他指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證分析。CB9D15CF-157F-441D-8AAC-15910BCC95BB

VFA=（VMA-VV）/VMA （1）

3 穩(wěn)定度試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究玻璃纖維與木質(zhì)素復(fù)配方案對(duì)瀝青混合料的影響，采用穩(wěn)定度試驗(yàn)進(jìn)行力學(xué)性能研究分析。試驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

3.1 穩(wěn)定度

不同復(fù)配方案瀝青混合料試件穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

分析可知：

（1）長(zhǎng)度為12 mm的玻璃纖維與木質(zhì)素復(fù)配后，所有試樣馬歇爾強(qiáng)度均較對(duì)照試樣有所提高。其中，12 mm的玻璃纖維與9%木質(zhì)素復(fù)配試樣增大幅度最高，而長(zhǎng)度為6 mm的玻璃纖維除9%木質(zhì)素?fù)搅客?，穩(wěn)定度均降低。綜合分析，摻入玻璃纖維后，瀝青黏度增大，提高了其抗變形能力。同時(shí)，纖維長(zhǎng)度對(duì)瀝青及瀝青混合料性能也具有較大影響。另外，纖維越長(zhǎng)，在瀝青混合料拌和時(shí)容易引起團(tuán)聚與纏繞，使用時(shí)應(yīng)予以考慮。

（2）與僅摻入玻璃纖維試樣（木質(zhì)素?fù)搅繛?）相比，摻入木質(zhì)素后混合料穩(wěn)定度均有所提高，且長(zhǎng)度為12 mm

的玻璃纖維試樣提高幅度更加顯著。另外，不同長(zhǎng)度玻璃纖維復(fù)配瀝青混合料試樣穩(wěn)定度隨木質(zhì)素纖維摻量增加呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。整體而言，隨著木質(zhì)素?fù)搅吭龃螅瑸r青混合料穩(wěn)定度先增大后減小。這是由于木質(zhì)素含量增大，瀝青的黏度增加，提高了混合料高溫抗變形性能。但由于馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)是在浸水條件下完成，受混合料空隙率等體積指標(biāo)影響，當(dāng)混合料空隙率過(guò)大（6%木質(zhì)素?fù)搅浚r(shí)，其穩(wěn)定度將會(huì)受到一定影響。

（3）所有試樣中，9LF12試樣穩(wěn)定度最大，其復(fù)配方案為0.3%玻璃纖維（占瀝青混合料質(zhì)量百分比）、9%木質(zhì)素（占瀝青質(zhì)量百分比），其較無(wú)外加劑試樣穩(wěn)定度提高了38.2%。同時(shí)，3LF12也具有較高的穩(wěn)定度，表明該復(fù)配方案也具有一定的可行性。

3.2 流值

不同復(fù)配方案瀝青混合料試件流值試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

流值指瀝青混合料試樣在加載破壞前在加載方向的最大變形。一般當(dāng)穩(wěn)定度較大、流值較小時(shí)可認(rèn)為瀝青混合料強(qiáng)度較高。與對(duì)照組相比，在瀝青混合料中摻加外加劑后，所有試樣流值均有所增大。采用兩種類(lèi)型玻璃纖維瀝青混合料流值均增大，且僅摻玻璃纖維試樣流值更高。與不使用木質(zhì)素時(shí)相比，長(zhǎng)度為12 mm的玻璃纖維與木質(zhì)素組合對(duì)瀝青混合料的流值增加幅度更加明顯。

從單一變形量而言，流值增加表示混合料抗變形能力降低。但從另一方面而言，流值增大也可能是由于瀝青混合料柔韌性更強(qiáng)，破壞時(shí)可吸收更多的能量，進(jìn)而承受更大的應(yīng)變。因此，有必要結(jié)合瀝青混合料其他物理力學(xué)性能作進(jìn)一步分析。

4 彈性模量

為了研究木質(zhì)素與玻璃纖維復(fù)配改性瀝青混合料的彈性模量特性，選取15 ℃、25 ℃兩個(gè)試驗(yàn)溫度進(jìn)行回彈模量試驗(yàn)。試驗(yàn)前將試樣置于測(cè)試溫度下保溫24 h備用，試驗(yàn)頻率為1 Hz，每個(gè)加載周期為1 s，采用半正弦加載方式。其中，加載時(shí)長(zhǎng)為0.1 s，恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)為0.69 s。不同玻璃纖維長(zhǎng)度復(fù)配木質(zhì)素纖維改性瀝青混合料彈性模量試驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

4.1 15 ℃彈性模量

對(duì)6 mm、12 mm兩種長(zhǎng)度玻璃纖維復(fù)配不同摻量木質(zhì)素改性瀝青混合料進(jìn)行15 ℃彈性模量測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

分析圖7可知：

（1）長(zhǎng)度為12 mm的玻璃纖維復(fù)配試樣與未摻外加劑試樣相比，僅加入玻璃纖維后，試樣彈性模量增大。與僅摻入玻璃纖維試樣相比，復(fù)配加入木質(zhì)素后，彈性模量仍增大。當(dāng)摻量為9%時(shí)彈性模量達(dá)到最大，為未摻外加劑試樣的1.3倍。

（2）長(zhǎng)度為6 mm的玻璃纖維復(fù)配試樣與未摻外加劑試樣相比，僅加入玻璃纖維后，試樣彈性模量出現(xiàn)減小。當(dāng)復(fù)配木質(zhì)素后，隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑龃髲椥阅Ａ空w呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但當(dāng)摻量達(dá)到12%時(shí)，試樣的15 ℃彈性模量仍小于未摻外加劑試樣。

（3）綜合分析，玻璃纖維與木質(zhì)素復(fù)配試樣彈性模量與玻璃纖維長(zhǎng)度及木質(zhì)素?fù)搅看嬖趶?fù)雜的復(fù)配關(guān)系。僅就15 ℃彈性模量而言，推薦優(yōu)先采用12 mm玻璃纖維，木質(zhì)素復(fù)配摻量應(yīng)控制在9%以?xún)?nèi)。當(dāng)采用6 mm玻璃纖維時(shí)，復(fù)配方案會(huì)對(duì)瀝青混合料試樣的15 ℃彈性模量產(chǎn)生負(fù)面影響。

4.2 25 ℃彈性模量

對(duì)6 mm、12 mm兩種長(zhǎng)度玻璃纖維復(fù)配不同摻量木質(zhì)素改性瀝青混合料進(jìn)行25 ℃彈性模量測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

分析圖8可知：與15 ℃彈性模量試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，不同長(zhǎng)度玻璃纖維復(fù)配試樣在25 ℃彈性模量變化規(guī)律與15 ℃基本一致，即長(zhǎng)度為12 mm的玻璃纖維試樣摻入后，其25 ℃彈性模量提高，且復(fù)配木質(zhì)素時(shí)，隨木質(zhì)素?fù)搅吭龃髲椥阅Ａ肯仍龃蠛鬁p小;長(zhǎng)度為6 mm的玻璃纖維摻入后降低了25 ℃彈性模量，但復(fù)配木質(zhì)素后模量逐漸增大。不同之處在于，長(zhǎng)度為12 mm的玻璃纖維復(fù)配試樣在6FL12（纖維長(zhǎng)度為12 mm、木質(zhì)素?fù)搅?%）時(shí)，25 ℃彈性模量最大。同時(shí)，當(dāng)試驗(yàn)溫度為25 ℃時(shí)，彈性模量變化幅度較15 ℃小。

4.3 溫度敏感性

為了進(jìn)一步對(duì)復(fù)配試樣力學(xué)特性進(jìn)行研究，采用不同溫度下彈性模量變化幅度對(duì)試樣溫度敏感性進(jìn)行表征。定義溫度敏感系數(shù)計(jì)算公式如式（2）所示。

溫度敏感系數(shù)=25 ℃彈性模量/15 ℃彈性模量×100%（2）

由于溫度升高，瀝青混合料試樣彈性模量降低。根據(jù)溫度敏感系數(shù)定義，敏感系數(shù)越低，表示彈性模量隨溫度變化越不敏感，即試樣彈性模量降低幅度越小，表明其具有較好的力學(xué)特性。對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果分析可知，12 mm玻璃纖維復(fù)配試樣的溫度敏感系數(shù)顯著低于6 mm玻璃纖維試樣。12 mm玻璃纖維試樣溫度敏感系數(shù)值變化幅度較小，與對(duì)照試樣基本一致，且當(dāng)木質(zhì)素?fù)搅窟_(dá)到9%后，溫度敏感性進(jìn)一步降低。見(jiàn)圖9。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用不同長(zhǎng)度玻璃纖維與不同摻量木質(zhì)素進(jìn)行復(fù)配對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性，研究了復(fù)配方案對(duì)混合料關(guān)鍵體積指標(biāo)、穩(wěn)定度及彈性模量等力學(xué)特性的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：CB9D15CF-157F-441D-8AAC-15910BCC95BB

（1）單一玻璃纖維及玻璃纖維與木質(zhì)素復(fù)配方案對(duì)瀝青混合料空隙率、礦料間隙率以及飽和度等體積指標(biāo)影響較大。在進(jìn)行木質(zhì)素復(fù)配玻璃纖維瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮外加劑摻入對(duì)體積指標(biāo)變化的影響，不能完全采用未摻外加劑的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)。

（2）長(zhǎng)度為12 mm的玻璃纖維可以提高瀝青混合料彈性模量，且彈性模量隨復(fù)配木質(zhì)素?fù)搅吭黾映尸F(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。長(zhǎng)度為6 mm的玻璃纖維則降低了混合料彈性模量，復(fù)配木質(zhì)素后彈性模量隨復(fù)配摻量增加而提高。

（3）對(duì)比不同溫度彈性模量，長(zhǎng)度為12 mm的玻璃纖維復(fù)配試樣相較6 mm的玻璃纖維試樣具有較低的溫度敏感系數(shù)，表明其具有較好的力學(xué)特性。綜合分析，推薦采用6FL12、9LF12復(fù)配方案對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性。

（4）為控制其他影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取了同一合成級(jí)配及最佳油石比進(jìn)行對(duì)比分析。由試驗(yàn)結(jié)果可知，復(fù)配方案對(duì)瀝青混合料體積指標(biāo)及力學(xué)性能的影響較大，建議有條件的研究者可參照上述試驗(yàn)規(guī)律將各復(fù)配方案進(jìn)行單獨(dú)配合比設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行相關(guān)性能對(duì)比分析。另外，試驗(yàn)結(jié)果顯示復(fù)配方案對(duì)穩(wěn)定度、流值試驗(yàn)及體積指標(biāo)等結(jié)果影響復(fù)雜，而對(duì)彈性模量影響規(guī)律較為明顯，建議條件允許時(shí)應(yīng)采用彈性模量等測(cè)試方法對(duì)瀝青混合料進(jìn)行深入對(duì)比研究。

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