木質(zhì)素/玻璃纖維復(fù)合改性瀝青混凝土路用性能提升效果研究

謝明君， 溫宇彤， 徐玲琳， 吳 凱， 蔣正武，*

（1.同濟大學(xué) 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804；2.同濟大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804）

新時代《交通強國建設(shè)綱要》提出，建設(shè)長壽命、高耐久、可持續(xù)的創(chuàng)新型路面已成為中國道路工程領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢[1-2］，開展性能優(yōu)異、耐久性良好的瀝青路面材料研究更是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-4］.研究表明，纖維可有效提高瀝青混凝土的力學(xué)性能和路用性能，并改善其水穩(wěn)定性、抗疲勞特性及抗塑性變形能力[5］.在常用于瀝青混凝土改性的纖維材料中，聚酯纖維具有極佳的力學(xué)性能，可改善混合料高溫抗車轍能力和抗疲勞性能[6-7］，但成本較高、應(yīng)用受限；木質(zhì)素纖維可有效提升瀝青混凝土低溫抗裂性能，然而受限于自身特性，木質(zhì)素纖維對瀝青混凝土高溫性能及水穩(wěn)定性的提升效果有限[8］；玻璃纖維具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，可提高瀝青混凝土的抗變形能力，尤其在提升混合料高溫穩(wěn)定性方面具有重要作用，并可節(jié)省路面維護成本[5，9-10］；玄武巖纖維在提升瀝青混凝土抗車轍能力及水穩(wěn)定性方面能發(fā)揮重要作用[11-12］，但由于原料波動大、成本高、效率低，限制了其廣泛應(yīng)用.

綜上，單一纖維改性往往難以兼顧瀝青混凝土綜合性能的提升，而復(fù)合改性可利用不同材料特性并克服單一使用的局限性[8］.已有研究證實：玻璃纖維/硫酸鈣晶須復(fù)合改性瀝青混凝土具有更好的抗裂性能[13］；木質(zhì)素纖維、聚酯纖維及玄武巖纖維復(fù)摻顯著提高了SBS 改性瀝青混凝土高溫抗車轍能力[14］；玄武巖纖維/硅藻土復(fù)合改性大幅提高了瀝青混凝土疲勞壽命和抗拉強度，其低溫性能也得到有效改善[15］.

本研究針對瀝青混凝土整體性能提升需求，采用高比表面積的木質(zhì)素纖維與力學(xué)性能、耐水性能優(yōu)異的玻璃纖維相結(jié)合，以期改善木質(zhì)素纖維改性瀝青混合料在高溫抗車轍性能及抗水損害方面的不足，并增強其綜合路用性能，降低應(yīng)用成本；通過高溫車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、低溫彎曲試驗等，對瀝青混凝土的力學(xué)性能及路用耐久性改善效果進行綜合評價，進一步探究了纖維復(fù)合改性影響機制及性能提升規(guī)律.

1 試驗

1.1 原材料

試驗所用基質(zhì)瀝青為中國石化上海石油化工股份有限公司70 號A 級瀝青，物理性能見表1；混合料集料級配類型為AC-13 型，如表2 所示，瀝青用量1）文中涉及的用量、比值等除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.為4.9%.木質(zhì)素纖維（CF）與玻璃纖維（GF）均產(chǎn)自常州筑威建筑材料有限公司，CF 平均長度為0.8 mm；GF 平均長度為12 mm，平均直徑為10 μm.CF 與GF 的推薦摻量分別為瀝青混合料質(zhì)量 的0.2%～0.4% 和0.2%～0.6%[8］；此 外，根 據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，木質(zhì)素纖維用量通常不低于0.3%.綜上，本試驗固定纖維總摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.4%，探討不同復(fù)摻比例對其路用性能的影響，并節(jié)約應(yīng)用成本.其中不同纖維改性瀝青混凝土試件編號及所對應(yīng)CF/GF 質(zhì)量比如表3 所示.

表1 基質(zhì)瀝青的物理性能Table 1 Physical properties of base asphalt

表2 AC-13 型瀝青混合料級配Table 2 Gradation of AC-13 asphalt mixture

表3 不同纖維改性瀝青混凝土試件及CF 和GF 復(fù)摻比例Table 3 Proportions of CF and GF in specimens of fiber-modified asphalt concrete

1.2 試驗方法

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中規(guī)定的試驗方法，對纖維改性瀝青混凝土試件的路用性能進行測試.通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗（T 0709—2011）測定瀝青混合料體積參數(shù)，確定空隙率VV、礦料間隙率VMA 及有效瀝青飽和度VFA.采用車轍試驗（T 0719—2011）測定瀝青混合料動穩(wěn)定度（DS），表征纖維復(fù)合改性試件高溫抗車轍能力.利用浸水馬歇爾試驗計算試件馬歇爾穩(wěn)定度及殘留穩(wěn)定度，評價纖維復(fù)合改性對瀝青混凝土水穩(wěn)定性的影響.采用凍融劈裂試驗（T 0729—2000）探究瀝青混合料的水穩(wěn)定性，并以凍融劈裂抗拉強度比TSR 作為評價其抗水損害性能的指標.通過瀝青混合料彎曲試驗（T 0715—2011），測定-10 ℃下試件破壞時的彎拉強度及最大彎拉應(yīng)變，以評價纖維改性瀝青混凝土的低溫性能.

2 結(jié)果與討論

2.1 馬歇爾體積參數(shù)

CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土的馬歇爾體積參數(shù)結(jié)果如圖1 所示.由圖1（a）可見，纖維摻入過程中，低密度的纖維隨機填充在混合料的空隙，從而導(dǎo)致與理論最大相對密度相比，毛體積相對密度有所下降[16］.由圖1（b）可見：纖維摻入對試件空隙率影響較小，單一纖維及纖維復(fù)合改性試件的空隙率均小于5%，表明其具備較好的耐久性；隨CF 摻量降低與GF 摻量提高，瀝青混凝土空隙率VV 有所增加，這是因為絲狀的玻璃纖維在拌和過程中容易團聚，導(dǎo)致混合料空隙率增大.由圖1（c）可知，與單一纖維改性相比，纖維復(fù)合改性混合料礦料間隙率VMA 略有增大.由于不同特性的纖維彼此橋接，在瀝青混凝土基體中構(gòu)建起更為致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，強化了吸附作用并提高集料間容載瀝青的含量，提高了“結(jié)構(gòu)瀝青”的比例，保證瀝青混凝土的穩(wěn)定性及路用性能.

圖1 CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土的馬歇爾體積參數(shù)Fig.1 Marshall volume parameters of CF/GF composite modified asphalt concretes

有效瀝青飽和度VFA 可直觀表示有效瀝青占混合料的礦料間隙的體積分數(shù).由圖1（d）可知，無論是單一纖維改性還是復(fù)合改性，瀝青混凝土的有效瀝青飽和度均在65%以上.CF/GF 混摻后，瀝青混凝土的有效瀝青飽和度VFA 略有下降，這是由于復(fù)合纖維的吸附作用增大了瀝青薄膜有效厚度和結(jié)構(gòu)瀝青比例，獲得更為致密和均勻的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，增大了瀝青混凝土壓實程度，從而提高了混合料基體的穩(wěn)定性與路用性能.

2.2 高溫性能

CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土高溫車轍試驗動穩(wěn)定度DS 結(jié)果如圖2 所示.由圖2 可見：與木質(zhì)素纖維改性相比，玻璃纖維改性瀝青混凝土具備更為優(yōu)異的高溫抗車轍性能；當纖維復(fù)合摻入時，瀝青混凝土動穩(wěn)定度得到明顯提升；試件C2G2、C1G3 的動穩(wěn)定度均達到3 000 次/mm 以上；當CF/GF 以質(zhì)量比1∶3 復(fù)摻時，纖維復(fù)合改性瀝青混凝土試件C1G3 的動穩(wěn)定度達到最高，分別為單摻CF 及GF 纖維試件的2.2、1.8 倍.纖維復(fù)摻有利于發(fā)揮不同類型纖維特性優(yōu)勢，玻璃纖維在高溫下具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能，在瀝青膠漿中可強化加筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，限制高溫下瀝青流動，提高瀝青混凝土高溫性能與抗車轍能力[17］.

圖2 CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土的高溫車轍試驗動穩(wěn)定度結(jié)果Fig.2 Dynamic stability of CF/GF composite modified asphalt concretes in rutting test

2.3 水穩(wěn)定性

2.3.1 浸水馬歇爾試驗

CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土的浸水馬歇爾試驗結(jié)果（馬歇爾穩(wěn)定度及殘留穩(wěn)定度）如圖3 所示.由圖3（a）可知，單一纖維改性時，CF 改性試件馬歇爾穩(wěn)定度明顯高于GF 改性試件.與GF 相比，CF 具有較高的比表面積，從而可以更好地吸附基體結(jié)構(gòu)中的自由瀝青，并提高結(jié)構(gòu)瀝青比例.此外，與GF 單一改性相比，纖維復(fù)摻改性使混合料馬歇爾穩(wěn)定度明顯提升.試件浸水后馬歇爾穩(wěn)定度均發(fā)生下降，這是由于浸水過程對瀝青膠漿與集料間的結(jié)合能力產(chǎn)生負面影響，破壞了基體內(nèi)部結(jié)構(gòu).

圖3 CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土的浸水馬歇爾試驗結(jié)果Fig.3 Marshall-immersion test results of CF/GF composite modified asphalt concretes

由圖3（b）可知，單一纖維改性時，試件GF4 的殘留穩(wěn)定度高于試件CF4.這是因為GF 非極性的表面具有更好的耐水性能，可以有效減少浸水后試件馬歇爾穩(wěn)定度的降低.與單一纖維改性相比，當CF/GF 以質(zhì)量比1∶1 復(fù)摻時，試件C2G2 的殘留穩(wěn)定度最高，表明其具備良好的抗水損害能力.這歸因于CF/GF 復(fù)合后在瀝青膠漿中彼此搭接，形成致密的纖維網(wǎng)絡(luò)，并使其與集料間形成良好的浸潤界面，提高了瀝青膠漿的黏結(jié)力及集料表面瀝青膜厚度，從而幫助混合料整體獲得更好的水穩(wěn)定性[18-19］.而當CF/GF 以質(zhì)量比1∶3 復(fù)摻時，試件C1G3 的殘留穩(wěn)定度明顯下降，這可能是由于絲狀的玻璃纖維與木質(zhì)素纖維發(fā)生團聚，影響了復(fù)合改性試件水穩(wěn)定性的提升.

2.3.2 凍融劈裂試驗

通過測定劈裂抗拉強度并計算凍融劈裂抗拉強度比TSR，可為不同配比的CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土水穩(wěn)定性提供進一步參考，試驗結(jié)果如圖4 所示.由圖4（a）可知：與單一纖維改性相比，凍融循環(huán)前后CF/GF 復(fù)合改性試件的凍融劈裂強度均有不同程度提高；當CF/GF 以質(zhì)量比3∶1 復(fù)摻時，瀝青混凝土的凍融劈裂強度得到大幅提升，分別為CF、GF單一改性試件的1.8、1.5 倍.復(fù)合改性可發(fā)揮不同纖維的協(xié)同作用，兩者優(yōu)異的橋接性能可強化其在基體結(jié)構(gòu)骨架內(nèi)部的增韌作用，緩沖內(nèi)部應(yīng)力、降低基體滲透性，提高瀝青混凝土水穩(wěn)定性.

圖4 CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土的凍融劈裂試驗結(jié)果Fig.4 Water stability results of CF/GF composite modified asphalt concretes in freeze-thaw splitting test

與凍融循環(huán)前試件強度相比，凍融循環(huán)后試件強度均有所降低，以凍融劈裂抗拉強度比TSR 作為評價指標，由圖4（b）可知：試件GF4 的TSR 高于試件CF4，這是由于CF 的拉伸強度較低，且自身更傾向于聚集和吸收水分，抗水損害性能較弱；CF/GF復(fù)合改性試件TSR 均高于CF 單一纖維改性試件；其中，試件C2G2 具有最高的TSR 值，達99.2%.玻璃纖維的極性表面可以提高基體的抗水損害能力，纖維復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與瀝青形成巨大的浸潤界面，增大了集料表面瀝青膜厚度[20］，從而阻滯了水分在基體內(nèi)的遷移，提升了瀝青混凝土的水穩(wěn)定性.試件C1G3 的TSR 相較試件GF4 有所降低，這可能是由于纖維團聚導(dǎo)致抗水損害性能下降，但仍優(yōu)于CF單一改性組.

2.4 低溫性能

通過彎曲試驗探究纖維復(fù)合改性瀝青混凝土的低溫（-10 ℃）力學(xué)性能，試件修正跨中撓度d及最大荷載PB計算結(jié)果如表4 所示，彎拉強度及最大彎拉應(yīng)變結(jié)果如圖5所示.表4和圖5表明：CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土獲得了較好的低溫抗裂性；與CF 單一改性相比，CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土在低溫破壞時梁底最大彎拉應(yīng)變均得到提升，說明玻璃纖維的加入提高了混合料的低溫柔性及抗變形能力；當CF/GF以質(zhì)量比1∶3復(fù)摻時，試件C1G3的彎拉強度較CF 單一改性時提高了6.5%，最大彎拉應(yīng)變提升了13.3%，這表明該配比下纖維復(fù)合改性瀝青混凝土的低溫抗拉、阻裂能力有所增強.復(fù)合改性過程中不同纖維相互搭接，構(gòu)建了更為致密的橋接纖維網(wǎng)絡(luò)，并通過吸附作用增大結(jié)構(gòu)膠結(jié)體黏度，在基體骨架中可以傳遞并緩沖應(yīng)力，約束了基體內(nèi)部裂紋的擴展，從而保證混合料具備較為優(yōu)異的低溫抗裂性[21］.

表4 CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土的修正跨中撓度及最大荷載Table 4 Modified mid-span displacement and maximum load of CF/GF composite modified asphalt concretes

3 結(jié)論

（1）木質(zhì)素纖維CF/玻璃纖維GF 復(fù)合改性瀝青混凝土具備優(yōu)異的高溫性能和低溫性能.與CF 單一改性相比，當CF/GF 以質(zhì)量比1∶3 復(fù)摻時，瀝青混凝土的車轍動穩(wěn)定度及低溫最大彎拉應(yīng)變均得到提升，在高溫與低溫環(huán)境下均具有較為優(yōu)異的抗變形能力.

（2）CF/GF 復(fù)合改性瀝青混凝土具有較好的水穩(wěn)定性.與GF 單一改性相比，CF/GF 復(fù)合改性提高了試件浸水前后的馬歇爾穩(wěn)定度，有效提升了瀝青混凝土的水穩(wěn)定性；同時還提升了瀝青混凝土的凍融劈裂抗拉強度比，提高了其抗水損害能力.

（3）CF/GF 復(fù)合改性通過不同纖維特性的結(jié)合，增大了瀝青混凝土的壓實程度，在瀝青混凝土中起到吸附、加筋及阻裂的物理增強作用，從而使其獲得更為致密和均勻的結(jié)構(gòu)，克服了單一纖維改性在瀝青混凝土綜合性能提升方面的局限，并提高了其在溫度變化、水損及應(yīng)力作用下的穩(wěn)定性，協(xié)同強化了瀝青混凝土的路用性能提升效果.