木质素纤维在沥青混合料中的应用

    摘　要： 系统分析了木质素纤维沥青胶浆及其沥青混合料的路用性能，包括木质素沥青胶浆软化点，锥入度,动态剪切，网蓝析出试验，混和料马歇尔稳定度、水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性及耐疲劳性能，探讨了木质素纤维增强沥青混合料的强度形成机理； 并与无纤维密级配沥青混凝土进行了对比、分析。 结果表明，木质素纤维能够提高沥青胶浆软化点、剪切强度，改善温度稳定性； 木质素纤维沥青混合料具有较好的路用性能。

   关键词： 木质素纤维； 沥青混合料； 路用性能； 强度形成机理

自20 世纪80 年代以来，为适应现代重载交通对路面材料性能要求提高的特点，欧美一些国家就广泛开始了纤维加强沥青材料的应用研究，并形成了一些专利产品。 德国通过对沥青混合料掺加纤维的研究和观测表明，掺加纤维可以改善沥青混合料的高温稳定性，疲劳耐久性，并且具有低温抗裂和防止反射裂缝的性能^[1]。 正是由于具有以上优良品质，纤维也被用在机场道面、桥面铺装、收费站等铺面中。 美国、加拿大、德国等国采用木质素纤维混凝土修筑了大量高速公路及其它重交通公路。

    1　原材料性能

采用盘锦AH - 90# 重交通沥青，其指标如表1 所示。 选用吉林产木质素纤维； 级配采用AC- 13 I。集料采用陕西石灰岩，其指标示于表2。

    2　纤维性能

    试验结果如表3 所示。 纤维的吸湿性主要取决于纤维的材质。 若纤维的吸湿性很大，外界的水分较容易侵入，会使纤维沥青界面产生侵蚀与湿胀，降低混合料的水稳性，所以纤维吸湿性不易过大。 木质素纤维和矿物纤维吸湿性体积膨胀明显，可以捏出水分，纤维颜色加深，说明木质素纤维和矿物纤维易吸收水份，使用前应保管好避免雨淋。

    吸油性指标反映了纤维对沥青的吸附能力^{[ 2 ]}。 作了浸润时间为5 m in 与60 m in 的吸油率对比试验。 结果表明，浸润时间对吸油率几乎没有影响，这说明除界面的吸附等作用外，纤维对矿物油的吸收作用不明显。

    2、 2　纤维与沥青粘附性

    粘附性反映了纤维沥青胶浆的水稳定性及纤维约束裂纹扩展、约束材料松散的能力。 测定在沸水中煮30 m in^{[ 3 ]}后纤维上的残留沥青百分率，木质素为99% ，矿物纤维约93% ，而石灰石只有约85% ，由此看出，纤维具有较强的粘附沥青能力，增强沥青混合料的水稳定性和抗剥离能力。

    2、3　网蓝析出滴漏试验

    各种纤维的吸持沥青效果与环境温度有关。 温度高时，沥青膜薄，粘度降低，纤维材料的吸持效果明显降低。 若以140 ℃时纤维对沥青的吸持量为100% 计，160 ℃时降至75% ，170 ℃时仅70%。 木质素纤维吸持沥青的能力表现出良好的效果，在140 ℃时，1 g 木质素纤维可以吸持10 g 沥青，在温度升高至170 ℃仍可吸持9 g 沥青，矿物纤维比木质素纤维稍差； 在140 ℃时，矿粉沥青胶浆全部滴落，表明矿粉虽然表面积也较大，常温下可以粘附沥青，但是当沥青处于热熔流淌状态时，还是不能吸持沥青，表明纤维因其化学成分、构造和很大的比表面积，对沥青的吸附能力是很强的，纤维对沥青的吸持作用明显优于矿粉。

    从表4 看出，纤维沥青的软化点比纯沥青普遍有很大的提高，随着纤维比例的加大，纤维沥青胶浆的软化点上升，说明纤维使沥青热稳定性显著改善，能够有效减少沥青的高温永久变形； 沥青中添加纤维，针入度减少、软化点增加，本质原因是沥青的胶体结构发生变化： 纤维在沥青中都是不溶的，以分散相存在，其作用相当于原沥青中的沥青质，即沥青逐渐由溶胶转变为溶- 凝胶结构以至凝胶结构，从而使纤维胶浆温度稳定性提高。

    纤维沥青胶浆针入度测定结果有很大的离散性，如对同一胶浆测试四次，结果分别为47、54、64、72，因含纤维的胶浆是非均质的。 采用锥入度^{[ 5 ]}试验，以60 ℃抗剪切强度反映胶浆高温下的粘稠度，反映纤维“约束”沥青的能力，这种能力与夏季路面的轮迹、泛油等现象有一定内在联系。 如表5 所示，纤维比例的增大对纤维沥青抗剪强度的提高非常明显，纤维沥青中纤维的多少对纤维沥青整体的剪切性能起着决定性作用，纤维对沥青的加筋作用明显； 在温度较高时如50 ℃、60 ℃，不含纤维的沥青已经用锥入的方法测不出剪切强度了，而加纤维沥青依然有一定的剪切强度，这从一个角度说明纤维对沥青高温性能的改善。若以0。 3% 掺量分析。 增加的工程造价，木质素纤维约9% ，矿质纤维约12%。 相对而言，木质素纤维具有更高的性价比。

    3　路用性能分析

    3、 1　马歇尔试验

    马歇尔试验结果如表6 所示。 可以看出，沥青混合料中加入木质素纤维后,混合料的最佳沥青用量会增加0.1%～0.3%。 这是由于木质素纤维比表面大,会吸收、吸附部分沥青，故使得混合料的最佳沥青用量有所增加； 木质素纤维在混合料中起多向“加筋”和增粘作用^{[ 2 ]} ，提高了沥青混合料的受力性能，因此，木质素纤维混和料马歇尔稳定度普遍高于不加木质素纤维的混和料。

    水稳定性试验结果如表7 所示。 木质素纤维质地疏松，表面粗糙，成多孔性，多侧向分枝； 沥青中酸性树脂组分是一种表面活性物质，它在木质素纤维表面产生的物理浸润、吸附甚至化学键作用，使沥青呈单分子状排列在木质素纤维表面，形成结合力牢固的“结构沥青”膜，它比薄膜以外的自由沥青粘性大，耐热性好； 同时，由于木质素纤维的吸附及吸收作用，混和料沥青用量增加，能使结构沥青膜增厚65%～ 113% ^{[ 4 ]}； 木质素纤维及其周围结构沥青一起裹覆于集料表面，使沥青膜厚度及性质都发生变比。 较厚的沥青膜减慢了沥青老化速率，从而可长时间地维持其粘附性，降低了水对沥青与集料的浸蚀破坏作用，增强了沥青混和料抵抗水损害的能力，使混合料水稳定性增强。

    车辙试验结果如表8 所示。 木质素纤维在沥青基体内的分布是三维随机的。 由于截面纤细，使得木质素纤维掺量不大的沥青基体内木质素纤维数目却相当大，形成纵横交织的空间网络。一方面，裹覆在木质素纤维上的“结构沥青”网，增大了结构沥青比例，减薄了自由沥青膜，使木质素纤维沥青胶浆粘性增大，软化点上升，高温稳定性大幅提高； 另一方面，纵横交织的木质素纤维在混合料中无定向分布且互相搭接，形成的木质素纤维骨架结构网，起到“链桥”作用，使混合料具有较高强度与劲度，增强了弹性恢复，减缓了车辙的加深速度，极大的改善了混合料的高温抗车辙性能。

    采用低温弯曲破坏试验(见表9) 评价低温抗裂性。 0 ℃弯曲应变越大，反应出混合料破坏时所需能量越大，则低温时混合料抵抗收缩拉应变的能力越强，低温抗裂性越好^{[ 3 ]}。 首先，木质素纤维的加入使混合料的最佳沥青用量增加，这本身就增加了混合料的延展性，改善了混合料的劲度模量； 其次，与木质素纤维良好的物化性能有关，木质素纤维在低温^{[ 5 ]}并不变硬、变脆，故加筋作用使混合料具有了较好的柔韧性，提高了混和料低温应变值； 第三，互相搭接的木质素纤维又提高了混合料的抗拉强度； 因此，混合料的低温抗裂性得到改善。

    疲劳耐久性方面，英国P．S． Pell 和美国C． L． Mon ism ith 提出的控制应力疲劳寿命分析方法^{[ 6 ]}计算较准确，结果如图1 所示。 疲劳破坏的过程，首先是在结构的某个部位开始产生微小裂纹，裂纹起点为疲劳源，对沥青混合料，荷载、温度及内部不均匀结点的存在是其产生疲劳源的主要因素。 当材料受荷载作用时，裂纹尖端发生应力集中，裂纹扩展； 当裂纹尺寸达到临界值时，就出现失稳扩展，材料出现较大的裂纹直至断裂破坏。 一方面，由于三维随机各向木质素纤维阻滞了裂纹的扩展，吸收和消耗了部分混合料断裂所需要的能量，减缓了亚临界扩展，增加了弹性恢复； 另一方面，裂纹发展时，木质素纤维会使裂纹转向或岐化，减慢裂缝产生的速率，延长材料失稳扩展、断裂出现的时间； 因此，木质素纤维可以减少裂缝的出现，提高路面的疲劳耐久性。

    (1) 木质素纤维对沥青具有增韧、增粘作用，使沥青胶浆软化点提高，增强对集料颗粒的握裹力，增强胶浆抗剪、抗拉能力，提高了混合科耐老化性能和水稳定性，增加了沥青路面抗早期水损害能力。

    (2) 木质素纤维在混合料中起到加筋作用，增强了弹性恢复，提高了混合料的高温抗车辙性能和抵抗疲劳破坏能力，使路面的高温稳定性能和疲劳耐久性得到改善。 木质素纤维在低温下仍呈柔性，能有效地抵抗温度应力，减少温缩裂缝的产生，提高路面低温抗裂性能。 对不同类型沥青混合料，0。25%～0。4% 木质素纤维掺量可有效改善路用性能。

    (3) 木质素纤维能够引起沥青胶体结构的变化，即逐渐由溶胶转变为溶- 凝胶结构以至凝胶结构。锥入度、网蓝析出等试验对评价纤维沥青胶浆的路用性能是适用的； 且与沥青混合料的施工性有一定的关联。

    参考文献：

    [1 ]　吕伟民．沥青混合料设计原理与方法[M ]。 上海： 同济大学出版社，2001。

    [2 ]　沈金安． 沥青及沥青混和料路用性能[M ]。 北京： 人民交通出版社，2001。

    [3 ]　彭　波． Superpave 沥青混合料路用性能的研究[J ]。 长安大学学报(自然科学版) ，2003，22 (3) ： 15218。

    [4 ]　李海军，吕伟民· 木质素纤维在SMA 混合料中作用机理分析与试验研究[J ]。 石油沥青，1998，(4) ： 127。

    [5 ]　孙雅珍·新型木质素纤维增强沥青路面的研究[J ]。 华东公路，2002，(2) ： 63265。