木质素/玻璃纤维复合改性沥青混凝土路用性能提升效果研究

谢明君， 温宇彤， 徐玲琳， 吴 凯， 蒋正武，*

（1.同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804；2.同济大学 材料科学与工程学院，上海 201804）

新时代《交通强国建设纲要》提出，建设长寿命、高耐久、可持续的创新型路面已成为中国道路工程领域发展的必然趋势[1-2］，开展性能优异、耐久性良好的沥青路面材料研究更是其中的关键环节[3-4］.研究表明，纤维可有效提高沥青混凝土的力学性能和路用性能，并改善其水稳定性、抗疲劳特性及抗塑性变形能力[5］.在常用于沥青混凝土改性的纤维材料中，聚酯纤维具有极佳的力学性能，可改善混合料高温抗车辙能力和抗疲劳性能[6-7］，但成本较高、应用受限；木质素纤维可有效提升沥青混凝土低温抗裂性能，然而受限于自身特性，木质素纤维对沥青混凝土高温性能及水稳定性的提升效果有限[8］；玻璃纤维具有良好的化学稳定性和热稳定性，可提高沥青混凝土的抗变形能力，尤其在提升混合料高温稳定性方面具有重要作用，并可节省路面维护成本[5，9-10］；玄武岩纤维在提升沥青混凝土抗车辙能力及水稳定性方面能发挥重要作用[11-12］，但由于原料波动大、成本高、效率低，限制了其广泛应用.

综上，单一纤维改性往往难以兼顾沥青混凝土综合性能的提升，而复合改性可利用不同材料特性并克服单一使用的局限性[8］.已有研究证实：玻璃纤维/硫酸钙晶须复合改性沥青混凝土具有更好的抗裂性能[13］；木质素纤维、聚酯纤维及玄武岩纤维复掺显著提高了SBS 改性沥青混凝土高温抗车辙能力[14］；玄武岩纤维/硅藻土复合改性大幅提高了沥青混凝土疲劳寿命和抗拉强度，其低温性能也得到有效改善[15］.

本研究针对沥青混凝土整体性能提升需求，采用高比表面积的木质素纤维与力学性能、耐水性能优异的玻璃纤维相结合，以期改善木质素纤维改性沥青混合料在高温抗车辙性能及抗水损害方面的不足，并增强其综合路用性能，降低应用成本；通过高温车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验等，对沥青混凝土的力学性能及路用耐久性改善效果进行综合评价，进一步探究了纤维复合改性影响机制及性能提升规律.

1 试验

1.1 原材料

试验所用基质沥青为中国石化上海石油化工股份有限公司70 号A 级沥青，物理性能见表1；混合料集料级配类型为AC-13 型，如表2 所示，沥青用量1）文中涉及的用量、比值等除特别说明外均为质量分数或质量比.为4.9%.木质素纤维（CF）与玻璃纤维（GF）均产自常州筑威建筑材料有限公司，CF 平均长度为0.8 mm；GF 平均长度为12 mm，平均直径为10 μm.CF 与GF 的推荐掺量分别为沥青混合料质量 的0.2%～0.4% 和0.2%～0.6%[8］；此 外，根 据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》，木质素纤维用量通常不低于0.3%.综上，本试验固定纤维总掺量为沥青混合料质量的0.4%，探讨不同复掺比例对其路用性能的影响，并节约应用成本.其中不同纤维改性沥青混凝土试件编号及所对应CF/GF 质量比如表3 所示.

表1 基质沥青的物理性能Table 1 Physical properties of base asphalt

表2 AC-13 型沥青混合料级配Table 2 Gradation of AC-13 asphalt mixture

表3 不同纤维改性沥青混凝土试件及CF 和GF 复掺比例Table 3 Proportions of CF and GF in specimens of fiber-modified asphalt concrete

1.2 试验方法

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的试验方法，对纤维改性沥青混凝土试件的路用性能进行测试.通过马歇尔稳定度试验（T 0709—2011）测定沥青混合料体积参数，确定空隙率VV、矿料间隙率VMA 及有效沥青饱和度VFA.采用车辙试验（T 0719—2011）测定沥青混合料动稳定度（DS），表征纤维复合改性试件高温抗车辙能力.利用浸水马歇尔试验计算试件马歇尔稳定度及残留稳定度，评价纤维复合改性对沥青混凝土水稳定性的影响.采用冻融劈裂试验（T 0729—2000）探究沥青混合料的水稳定性，并以冻融劈裂抗拉强度比TSR 作为评价其抗水损害性能的指标.通过沥青混合料弯曲试验（T 0715—2011），测定-10 ℃下试件破坏时的弯拉强度及最大弯拉应变，以评价纤维改性沥青混凝土的低温性能.

2 结果与讨论

2.1 马歇尔体积参数

CF/GF 复合改性沥青混凝土的马歇尔体积参数结果如图1 所示.由图1（a）可见，纤维掺入过程中，低密度的纤维随机填充在混合料的空隙，从而导致与理论最大相对密度相比，毛体积相对密度有所下降[16］.由图1（b）可见：纤维掺入对试件空隙率影响较小，单一纤维及纤维复合改性试件的空隙率均小于5%，表明其具备较好的耐久性；随CF 掺量降低与GF 掺量提高，沥青混凝土空隙率VV 有所增加，这是因为丝状的玻璃纤维在拌和过程中容易团聚，导致混合料空隙率增大.由图1（c）可知，与单一纤维改性相比，纤维复合改性混合料矿料间隙率VMA 略有增大.由于不同特性的纤维彼此桥接，在沥青混凝土基体中构建起更为致密的网状结构，强化了吸附作用并提高集料间容载沥青的含量，提高了“结构沥青”的比例，保证沥青混凝土的稳定性及路用性能.

图1 CF/GF 复合改性沥青混凝土的马歇尔体积参数Fig.1 Marshall volume parameters of CF/GF composite modified asphalt concretes

有效沥青饱和度VFA 可直观表示有效沥青占混合料的矿料间隙的体积分数.由图1（d）可知，无论是单一纤维改性还是复合改性，沥青混凝土的有效沥青饱和度均在65%以上.CF/GF 混掺后，沥青混凝土的有效沥青饱和度VFA 略有下降，这是由于复合纤维的吸附作用增大了沥青薄膜有效厚度和结构沥青比例，获得更为致密和均匀的沥青混凝土结构，增大了沥青混凝土压实程度，从而提高了混合料基体的稳定性与路用性能.

2.2 高温性能

CF/GF 复合改性沥青混凝土高温车辙试验动稳定度DS 结果如图2 所示.由图2 可见：与木质素纤维改性相比，玻璃纤维改性沥青混凝土具备更为优异的高温抗车辙性能；当纤维复合掺入时，沥青混凝土动稳定度得到明显提升；试件C2G2、C1G3 的动稳定度均达到3 000 次/mm 以上；当CF/GF 以质量比1∶3 复掺时，纤维复合改性沥青混凝土试件C1G3 的动稳定度达到最高，分别为单掺CF 及GF 纤维试件的2.2、1.8 倍.纤维复掺有利于发挥不同类型纤维特性优势，玻璃纤维在高温下具有更为优异的力学性能，在沥青胶浆中可强化加筋网络结构，限制高温下沥青流动，提高沥青混凝土高温性能与抗车辙能力[17］.

图2 CF/GF 复合改性沥青混凝土的高温车辙试验动稳定度结果Fig.2 Dynamic stability of CF/GF composite modified asphalt concretes in rutting test

2.3 水稳定性

2.3.1 浸水马歇尔试验

CF/GF 复合改性沥青混凝土的浸水马歇尔试验结果（马歇尔稳定度及残留稳定度）如图3 所示.由图3（a）可知，单一纤维改性时，CF 改性试件马歇尔稳定度明显高于GF 改性试件.与GF 相比，CF 具有较高的比表面积，从而可以更好地吸附基体结构中的自由沥青，并提高结构沥青比例.此外，与GF 单一改性相比，纤维复掺改性使混合料马歇尔稳定度明显提升.试件浸水后马歇尔稳定度均发生下降，这是由于浸水过程对沥青胶浆与集料间的结合能力产生负面影响，破坏了基体内部结构.

图3 CF/GF 复合改性沥青混凝土的浸水马歇尔试验结果Fig.3 Marshall-immersion test results of CF/GF composite modified asphalt concretes

由图3（b）可知，单一纤维改性时，试件GF4 的残留稳定度高于试件CF4.这是因为GF 非极性的表面具有更好的耐水性能，可以有效减少浸水后试件马歇尔稳定度的降低.与单一纤维改性相比，当CF/GF 以质量比1∶1 复掺时，试件C2G2 的残留稳定度最高，表明其具备良好的抗水损害能力.这归因于CF/GF 复合后在沥青胶浆中彼此搭接，形成致密的纤维网络，并使其与集料间形成良好的浸润界面，提高了沥青胶浆的黏结力及集料表面沥青膜厚度，从而帮助混合料整体获得更好的水稳定性[18-19］.而当CF/GF 以质量比1∶3 复掺时，试件C1G3 的残留稳定度明显下降，这可能是由于丝状的玻璃纤维与木质素纤维发生团聚，影响了复合改性试件水稳定性的提升.

2.3.2 冻融劈裂试验

通过测定劈裂抗拉强度并计算冻融劈裂抗拉强度比TSR，可为不同配比的CF/GF 复合改性沥青混凝土水稳定性提供进一步参考，试验结果如图4 所示.由图4（a）可知：与单一纤维改性相比，冻融循环前后CF/GF 复合改性试件的冻融劈裂强度均有不同程度提高；当CF/GF 以质量比3∶1 复掺时，沥青混凝土的冻融劈裂强度得到大幅提升，分别为CF、GF单一改性试件的1.8、1.5 倍.复合改性可发挥不同纤维的协同作用，两者优异的桥接性能可强化其在基体结构骨架内部的增韧作用，缓冲内部应力、降低基体渗透性，提高沥青混凝土水稳定性.

图4 CF/GF 复合改性沥青混凝土的冻融劈裂试验结果Fig.4 Water stability results of CF/GF composite modified asphalt concretes in freeze-thaw splitting test

与冻融循环前试件强度相比，冻融循环后试件强度均有所降低，以冻融劈裂抗拉强度比TSR 作为评价指标，由图4（b）可知：试件GF4 的TSR 高于试件CF4，这是由于CF 的拉伸强度较低，且自身更倾向于聚集和吸收水分，抗水损害性能较弱；CF/GF复合改性试件TSR 均高于CF 单一纤维改性试件；其中，试件C2G2 具有最高的TSR 值，达99.2%.玻璃纤维的极性表面可以提高基体的抗水损害能力，纤维复合网络结构与沥青形成巨大的浸润界面，增大了集料表面沥青膜厚度[20］，从而阻滞了水分在基体内的迁移，提升了沥青混凝土的水稳定性.试件C1G3 的TSR 相较试件GF4 有所降低，这可能是由于纤维团聚导致抗水损害性能下降，但仍优于CF单一改性组.

2.4 低温性能

通过弯曲试验探究纤维复合改性沥青混凝土的低温（-10 ℃）力学性能，试件修正跨中挠度d及最大荷载PB计算结果如表4 所示，弯拉强度及最大弯拉应变结果如图5所示.表4和图5表明：CF/GF 复合改性沥青混凝土获得了较好的低温抗裂性；与CF 单一改性相比，CF/GF 复合改性沥青混凝土在低温破坏时梁底最大弯拉应变均得到提升，说明玻璃纤维的加入提高了混合料的低温柔性及抗变形能力；当CF/GF以质量比1∶3复掺时，试件C1G3的弯拉强度较CF 单一改性时提高了6.5%，最大弯拉应变提升了13.3%，这表明该配比下纤维复合改性沥青混凝土的低温抗拉、阻裂能力有所增强.复合改性过程中不同纤维相互搭接，构建了更为致密的桥接纤维网络，并通过吸附作用增大结构胶结体黏度，在基体骨架中可以传递并缓冲应力，约束了基体内部裂纹的扩展，从而保证混合料具备较为优异的低温抗裂性[21］.

表4 CF/GF 复合改性沥青混凝土的修正跨中挠度及最大荷载Table 4 Modified mid-span displacement and maximum load of CF/GF composite modified asphalt concretes

3 结论

（1）木质素纤维CF/玻璃纤维GF 复合改性沥青混凝土具备优异的高温性能和低温性能.与CF 单一改性相比，当CF/GF 以质量比1∶3 复掺时，沥青混凝土的车辙动稳定度及低温最大弯拉应变均得到提升，在高温与低温环境下均具有较为优异的抗变形能力.

（2）CF/GF 复合改性沥青混凝土具有较好的水稳定性.与GF 单一改性相比，CF/GF 复合改性提高了试件浸水前后的马歇尔稳定度，有效提升了沥青混凝土的水稳定性；同时还提升了沥青混凝土的冻融劈裂抗拉强度比，提高了其抗水损害能力.

（3）CF/GF 复合改性通过不同纤维特性的结合，增大了沥青混凝土的压实程度，在沥青混凝土中起到吸附、加筋及阻裂的物理增强作用，从而使其获得更为致密和均匀的结构，克服了单一纤维改性在沥青混凝土综合性能提升方面的局限，并提高了其在温度变化、水损及应力作用下的稳定性，协同强化了沥青混凝土的路用性能提升效果.