不同植物纖維改善瀝青混合料性能研究

劉 浩，孫永新 ，王朝秦，張?zhí)m蘭

（1 洛陽市騰元公路工程有限公司，河南 洛陽 471000；2 華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；3 洛陽市交通事業(yè)發(fā)展中心，河南 洛陽 471026；4 洛陽市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 洛陽 471023）

瀝青混合料憑借出色的性能在我國高等級公路中得到了大量應(yīng)用，但隨著交通量的快速增長及大型化車輛的增加，導(dǎo)致常規(guī)的瀝青路面過早出現(xiàn)大量的病害，損害其使用性能和服役壽命。使用改性瀝青或添加外加材料是提高瀝青混合料性能的常用方法，其中纖維穩(wěn)定劑是一種典型的外加材料，具有材料易于取得、添加方式簡單、性能改善效果好等特點(diǎn)，在瀝青路面建設(shè)與養(yǎng)護(hù)工程得到了廣泛應(yīng)用。纖維穩(wěn)定劑在瀝青混合料中通過吸附作用、加筋作用、橋接作用和穩(wěn)定作用，有效改善了混合料的整體性能，使其能夠承擔(dān)沉重的交通荷載、繁重的交通量和惡劣的環(huán)境條件，擴(kuò)展了瀝青混合料的應(yīng)用范圍[1-2]。瀝青混合料中添加的纖維穩(wěn)定劑主要有合成纖維、植物纖維和礦物纖維等，其中聚酯纖維、聚丙烯纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維應(yīng)用的相對較多，而其他植物纖維如竹纖維和劍麻纖維等較少采用。但竹纖維和劍麻纖維屬于綠色、環(huán)保、可再生資源，原料分別為毛竹和劍麻，具有生產(chǎn)周期快、時間短的特點(diǎn)，不像木質(zhì)素纖維的原料多為原木（針葉林、闊葉林），成才周期較長，大規(guī)模使用會破壞我國寶貴的森林資源，因此推廣其他植物纖維在瀝青混合料的應(yīng)用具有廣闊的前景和顯著的社會、環(huán)境效益。

木質(zhì)素纖維是《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中推薦采用的穩(wěn)定劑，主要應(yīng)用于SMA混合料中，規(guī)范中給出了纖維質(zhì)量技術(shù)要求、添加量和存放要求等。竹纖維和劍麻纖維的使用也有效改善了瀝青混合料的力學(xué)與路用性能，但這些纖維在瀝青混合料中應(yīng)用的時間相對較短，尚處于研究探索階段，沒有制定可推廣的指標(biāo)要求。李靜等[3]研究了竹纖維對瀝青混合料高溫性能和低溫抗裂性能的改善效果，確定了竹纖維的最佳摻量和長度，推薦1cm、2cm和3cm長竹纖維的最佳摻量分別為2.5%、2.0%和1.5%。Yu等[4]研究了竹纖維改性對瀝青混合料性能的增強(qiáng)效果，發(fā)現(xiàn)三聚氰胺-甲醛共聚物的使用改善了竹纖維與瀝青膠漿的界面結(jié)合能力，且提高了瀝青混合料的強(qiáng)度和路用性能，尤其是抗低溫破壞能力和水損害能力。Jia等[5]研究指出，瀝青混合料摻加0.3%的竹纖維或聚酯纖維，則有效提高了瀝青混合料的動態(tài)模量和疲勞壽命，其中竹纖維瀝青混合料疲勞壽命略低于聚酯纖維瀝青混合料。Cui等[6]研究了不同纖維表面處理工藝對纖維改性瀝青性能的影響，指出竹纖維表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑、堿處理和熱處理后，可有效提高纖維改性瀝青的疲勞壽命，其中硅烷偶聯(lián)劑處理竹纖維表面則對瀝青流變性和潤濕性的改善效果最明顯。艾暢等[7]研究了劍麻纖維對高模量瀝青混合料低溫性能的改善效果，發(fā)現(xiàn)高模量瀝青混合料摻加0.3%的6mm長劍麻纖維，則對混合料低溫性能的改善效果最好，且同時可提升混合料的高溫性能和水穩(wěn)性能。陸宏新等[8]研究指出，劍麻纖維經(jīng)堿處理后可提高集料表面的瀝青膜厚度，改善瀝青與集料的界面結(jié)合能力，相應(yīng)提升混合料的路用性能。Ramalinga等[9]研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料摻加低劑量的劍麻纖維后，疲勞壽命和抗水損害能力顯著提高；根據(jù)路用性能試驗(yàn)結(jié)果，建議所選混合料摻加劍麻纖維的劑量和長度分別為0.05%和15mm。柳一村等[10]研究指出，AC-13混合料摻加0.2%的劍麻纖維可顯著改善其高溫性能和低溫抗裂性能。以上研究說明竹纖維和劍麻纖維對瀝青混合料性能的改善效果，但主要從纖維劑量與長度和纖維表面處理方式等方面開展研究；瀝青混合料摻加木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維等后，其性能改善效果及作用機(jī)理是否存在差異目前仍缺乏深入的研究，不利于竹纖維和劍麻纖維在道路中的推廣應(yīng)用。

基于此，本文以SMA-13和AC-13混合料為試驗(yàn)對象，研究植物纖維添加對瀝青混合料性能改善效果的影響。通過強(qiáng)度試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和浸水飛散試驗(yàn)對比不同纖維的改善效果差異，揭示性能變化產(chǎn)生的原因，并采用方差分析探討混合料與纖維類型因素對混合料性能的影響差異，以期為植物纖維在瀝青路面中應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

瀝青結(jié)合料選用SBS改性瀝青，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)見表1。粗細(xì)集料分別選用玄武巖和石灰?guī)r石料經(jīng)破碎制得，礦粉采用石灰?guī)r石料通過磨細(xì)工藝得到，技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求。SMA-13和AC-13混合料選取的礦料級配如圖1所示。

圖1 選取的礦料級配Fig. 1 Selected aggregate gradation

表1 SBS改性瀝青關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)Table 1 Key technical indicators of SBS modified asphalt

纖維穩(wěn)定劑采用木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維，并通過干法工藝添加到瀝青混合料中；AC-13和SMA-13混合料中不同植物纖維的添加量為0.3%，纖維長度統(tǒng)一為6mm，纖維的基本技術(shù)指標(biāo)如見表2。不同瀝青混合料的最佳瀝青用量采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定，具體見表3。

表2 不同纖維的技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indicators of different fibers

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

1.2 測試方法

采用單軸壓縮試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和浸水飛散試驗(yàn)測試不同纖維瀝青混合料的強(qiáng)度和路用性能，分析植物纖維對瀝青混合料性能改善效果，具體試驗(yàn)條件見表4。

表4 試驗(yàn)方法和條件Table 4 Test methods and conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 植物纖維對瀝青混合料強(qiáng)度的影響

不同瀝青混合料摻加纖維前后的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中看出：①植物纖維的摻加有效提高了瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度，降低了混合料發(fā)生破壞的概率，相比未摻加纖維的AC-13混合料，摻加木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維的瀝青混合料抗壓強(qiáng)度分別提高39.7%、31.6%和28.5%，纖維在混合料中有效發(fā)揮了吸附、穩(wěn)定等作用，提高了結(jié)構(gòu)瀝青的含量，使其能夠承擔(dān)更重的荷載作用；②不同纖維對AC-13和SMA-13混合料抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果存在差異，不同纖維瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度大小為：木質(zhì)素纖維＞竹纖維＞劍麻纖維，說明竹纖維和劍麻纖維的增強(qiáng)效果略低于木質(zhì)素纖維，但仍具有明顯的增強(qiáng)效果。改善效果存在差異的原因?yàn)槟举|(zhì)素纖維的密度相對較小，相同質(zhì)量條件下木質(zhì)素纖維的數(shù)量較多，在混合料中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較密，能夠顯著提高混合料的抗荷載破壞能力。

圖2 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Result of uniaxial compression test

2.2 植物纖維對瀝青混合料高溫性能的影響

AC-13和SMA-13瀝青混合料的抗車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：①AC-13瀝青混合料摻加木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維后，動穩(wěn)定度分別提高42.8%、38.2%和27.2%，植物纖維的使用有效改善了混合料的高溫抗車轍性能，降低了瀝青路面車轍病害發(fā)生的概率，混合料中分散均勻的纖維有效吸收瀝青的輕質(zhì)組分，提高了結(jié)合料的黏度，使其在高溫下不容易發(fā)生軟化現(xiàn)象；同時纖維在混合料中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效限制了礦料的移動，提高了混合料抗變形的能力；②木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維對AC-13和SMA-13混合料高溫性能的改善效果依次降低，摻有木質(zhì)素纖維的瀝青混合料具有更好的高溫性能，但摻有竹纖維和劍麻纖維的瀝青混合料動穩(wěn)定度也明顯高于規(guī)范要求。原因是所選纖維穩(wěn)定劑的密度不同，導(dǎo)致混合料中添加纖維的數(shù)量存在差異，影響纖維改善作用的發(fā)揮。

圖3 不同瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Result of rut test

2.3 植物纖維對瀝青混合料低溫抗裂性能的改善作用

不同瀝青混合料摻加纖維前后的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4中得知：①AC-13瀝青混合料中植物纖維的摻加，有效提高了其低溫抗裂性能，相比未摻加纖維的瀝青混合料，摻有木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維的AC-13瀝青混合料破壞應(yīng)變分別提高8.4%、19.5%和10.7%，均勻分散在瀝青混合料中植物纖維有效發(fā)揮了加筋和橋接等作用，提高了混合料的柔韌性，使其試件在荷載作用下不容易被拉斷，因此低溫抗裂性能得到增強(qiáng)；②不同植物纖維對AC-13和SMA-13混合料低溫性能的改善效果存在差異，不同纖維瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變大小為：竹纖維＞劍麻纖維＞木質(zhì)素纖維，說明竹纖維和劍麻纖維的改善效果相對較好。原因一方面為不同植物纖維的抗拉強(qiáng)度存在差異，其中竹纖維和劍麻纖維的抗拉強(qiáng)度相對較高，促使其能夠承擔(dān)更重的荷載，從而提升混合料整體的抗拉強(qiáng)度；另一方面為竹纖維的吸油率較高，其摻有該纖維的瀝青混合料的瀝青用量較大，這可使礦料表面的瀝青膜更厚，從而增強(qiáng)混合料的柔韌性，且瀝青混合料的低溫抗裂性能主要受瀝青的影響，油石比的增大使其更多的結(jié)構(gòu)瀝青分散荷載作用，因此竹纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能相對最好。

圖4 不同瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Result of low temperature bending test

2.4 植物纖維對瀝青混合料水穩(wěn)性能的影響

AC-13和SMA-13瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Result of freeze-thaw splitting test

圖5 中數(shù)據(jù)顯示：①植物纖維的摻加有效改善了AC-13混合料的水穩(wěn)性能，相比未摻加纖維的AC-13瀝青混合料，摻加木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維的混合料殘留強(qiáng)度比分別提高9.3%、13.5%和10.8%。說明竹纖維和劍麻纖維也能夠改善混合料的水穩(wěn)性能，這是因?yàn)橹参锢w維的使用有效增加了混合料中的結(jié)構(gòu)瀝青含量和黏度，促使瀝青與礦料間的界面結(jié)合能力增強(qiáng)，降低水分的滲入及其對瀝青膜的破壞效應(yīng)；②竹纖維、劍麻纖維、木質(zhì)素纖維對瀝青混合料水穩(wěn)性能的改善效果依次降低，竹纖維的改善效果相對最好。這是因?yàn)橹窭w維的吸水率較低，在水分侵蝕時能夠延緩和降低水分的滲入，水分不容易造成礦料表面瀝青膜的脫落；另一方面竹纖維的吸油率較高，提高了瀝青混合料的瀝青用量，這會增加瀝青膜的厚度，同時也說明竹纖維的表面較粗糙，竹纖維與瀝青膠漿的黏結(jié)能力較強(qiáng)，不容易誘使水分的侵入和破壞，故竹纖維瀝青混合料表現(xiàn)出較好的抗水損性能。

2.5 植物纖維對瀝青混合料抗松散能力評價(jià)

不同瀝青混合料浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：竹纖維、劍麻纖維、木質(zhì)素纖維均能夠增強(qiáng)瀝青-礦料間的黏結(jié)力，降低瀝青混合料的脫落、掉粒和飛散現(xiàn)象，提高瀝青路面的安全運(yùn)營水平。不同植物纖維對瀝青-礦料間黏結(jié)力的增強(qiáng)效果存在差異，不同纖維瀝青混合料的飛散損失率大小為：木質(zhì)素纖維＞劍麻纖維＞竹纖維，說明竹纖維對瀝青-礦料間黏結(jié)力的改善效果相對最好，使其具有的較好的抗松散能力，從而提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。這是因?yàn)橹窭w維具有較低的吸水率，能夠降低水分滲入瀝青-礦料界面結(jié)合處，減少瀝青膜的脫落現(xiàn)象，增強(qiáng)瀝青-礦料間的黏結(jié)力。

圖6 不同瀝青混合料浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Result of immersion dispersion test

2.6 植物纖維瀝青混合料性能影響方差分析

為認(rèn)清混合料及植物纖維類型對瀝青混合料性能影響的顯著性，采用SPSS軟件對以上試驗(yàn)結(jié)果開展方差分析，分析結(jié)果見表5。由表5可知：所選因素混合料類型與纖維類型對瀝青混合料性能均有顯著影響，其中混合料類型對瀝青混合料性能產(chǎn)生的影響更顯著，但纖維類型對其產(chǎn)生的影響也不能忽略，應(yīng)結(jié)合瀝青混合料性能變化確定合適的纖維類型，使其達(dá)到較好的性價(jià)比。

表5 所選因素對混合料不同性能的方差分析Table 5 Variance analysis of selected factors for road performance

3 結(jié)論

（1）植物纖維的物理技術(shù)指標(biāo)如密度、吸油率、吸水率、抗拉強(qiáng)度等，顯著影響纖維對瀝青混合料性能的增強(qiáng)效果，其中吸油率影響瀝青混合料的最佳瀝青用量，吸水率和抗拉強(qiáng)度則影響瀝青混合料的水穩(wěn)性能和低溫性能。

（2）不同植物纖維有效提高了AC-13瀝青混合料的強(qiáng)度和高溫性能，摻有木質(zhì)素纖維、竹纖維、劍麻纖維的瀝青混合料強(qiáng)度和高溫性能依次降低，但竹纖維瀝青混合料的強(qiáng)度和高溫性能接近木質(zhì)素纖維瀝青混合料。

（3）AC-13瀝青混合料摻加植物纖維后，低溫抗裂性能、水穩(wěn)性能和瀝青-礦料黏結(jié)力得到了改善，但植物纖維的不同影響瀝青混合料性能的變化，摻有不同植物纖維的瀝青混合料低溫抗裂性能、水穩(wěn)性能和抗松散性能優(yōu)劣為：竹纖維＞劍麻纖維＞木質(zhì)素纖維。

（4）混合料類型和纖維類型顯著影響瀝青混合料的強(qiáng)度和路用性能，其中混合料類型產(chǎn)生的影響相對較大，實(shí)際使用時應(yīng)在瀝青混合料類型確定的基礎(chǔ)上合理選擇纖維類型。