TLA与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土性能研究.pdf

68袁冻雷 TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土性能研究TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土性能研究袁冻雷（河南交通投资集团有限公司，河南郑州 450000）摘要：为了改善高模量沥青混凝土的性能，采用 TLA 与木质素纤维进行复配设计高模量沥青混凝土，对 TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土的路用性能及疲劳耐久性展开综合考察。结果表明：单掺木质素纤维改性能够一定程度增强高模量沥青混凝土的路用性能及耐久性能；随着 TLA 掺量的增加，复合改性高模量沥青混凝土的高温车辙变形量与疲劳车辙变形量指标呈先减小后增大变化，而其它指标则均呈先增大后减小变化，适量 TLA 与木质素纤维复合改性能够增强高模量沥青混凝土的路用性能及耐久性能；掺入过量 TLA 会增加沥青的黏性与脆性，不利于高模量沥青混凝土路用性能及耐久性能的提升；采用适量的TLA与木质素纤维复掺，可综合提升高模量沥青混凝土的性能，推荐最佳复掺组合为 30%TLA+6%木质素纤维。关键词：高模量沥青混凝土；TLA；木质素纤维；路用性能；耐久性中图分类号：U 414 Study on Properties of High Modulus Asphalt Concrete Modifi ed by TLA and Lignin FiberYUAN Dong-lei(Henan Transportation Investment Group Co.,LTD.,Zhengzhou 450000,Henan,China)Abstract:To improve the performance of high modulus asphalt concrete,TLA and lignin fi bers were used to mix to design high modulus asphalt concrete.The road performance and fatigue durability of TLA and lignin fi ber composite modifi ed high modulus asphalt concrete were comprehensively investigated.The results show that the road performance and durability of high modulus asphalt concrete can be improved by adding lignin fi ber alone to a certain extent.With the increase of TLA content,only the high-temperature rutting deformation and fatigue rutting deformation indexes of composite modified high modulus asphalt concrete decrease first and then increase,and other indexes increase first and then decrease.Appropriate TLA and lignin fiber composite modifi cation can enhance the road performance and durability of high modulus asphalt concrete.Adding excessive TLA will increase the viscosity and brittleness of asphalt,which is not conducive to the improvement of road performance and durability of high modulus asphalt concrete.The performance of high modulus asphalt concrete can be comprehensively improved by adding proper amount of TLA and lignin fi ber.It is recommended that the best mixing combination is 30%TLA+6%lignin fi ber.Key words:high modulus asphalt concrete;TLA;lignin fi ber;road performance;durability随着我国的交通量及重载日益增长，使得一部分高速公路沥青路面产生了车辙、裂缝、沉陷等早期损害现象，其中以车辙类病害最为常见，给行车舒适安全带来了严重的影响1-3。为了解决沥青路面车辙损害问题，我国道路工作者引入法国高模量沥青混凝土（HMAC）技术，经过合理设计的高模量沥青混凝土能够有效提高沥青路面的高温抗车辙能力及抗疲劳变形能力，有利于延长沥青路面的使用寿命，因此高模量沥青混凝土得到较为广泛的应用4-5。目前，国内道路研究者在高模量沥青混凝土方面进行了不少研究，如：陈水满等6根据法国 EME 设计方法，采用不同基质沥青优化设计了两种 EME2（0/20）矿料级配高模量沥青混凝土，并对其抗车辙性能进行了对比分析；郭寅川等7采用高模量天然沥青制备出高模量天然沥青混凝土，并与 SBS 改性沥青、基质沥青混凝土进行路用性能对比分析；白劢8针对高模量沥青混凝土低温抗裂性能较差的问题，采用掺加玄武岩纤维进行改性，探讨了玄武岩纤维掺量改善高模量沥青混凝土路用性能的变化规律；陈安京9设计了两种温拌剂改性高模量沥青混凝土，针对温拌高模量沥青混凝土的拌合工艺及路用性能进行系统研究。考虑到有关高模量沥青混凝土复合改性方面的研究较少，本文采用 TLA 与木质素纤维进行复配设计高模量沥青混凝土，对 TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土的路用性能及疲劳耐久性展开综合考察，旨为高模量沥青混凝土的设计、推广及应用提供技术支撑。1 试验材料及方案作者简介：袁冻雷，硕士，高级工程师，主要从事道路与桥梁工程相关工作。合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期691.1 试验材料基质沥青选用中石化 70#A 级道路石油沥青，经检测各项技术性能（见表 1）均满足规范要求；特立尼达湖沥青（TLA）外观为粉状细颗粒，密度为 1.31g/cm3，软化点 92，硬质沥青含量为 65%，灰分含量为 33.8%，筛分试验结果见表 2；纤维选用选用外观为灰白色的木质素纤维，密度为 2.28g/cm3，灰分含量为 19.6%，pH值为 7.6，吸油率为 6.3%，含水率为 1.2%；粗集料选用 1015 mm、510 mm 的石灰岩碎石，细集料为 35 mm、03 mm 的石灰岩矿粉，集料的各项技术指标均满足规范要求。表 1 基质沥青的技术指标Table 1 Technical indexes of matrix aspasphalt项目试验结果指标要求针入度（25,100g,5s）/0.1mm68.26080软化点/52.346相对密度/(g/cm3)1.05实测延度（5cm/min,15）/cm100100薄膜烘箱老化15 残留延度/cm22.515质量损失/%0.18-0.80.825 针入度比/%7146表 2 TLA 湖沥青筛分试验结果Table 2 Screening test results of TLA lake asphalt 项目通过下列筛孔尺寸（mm）百分率/%2.360.60.30.075试验结果100754315规范要求1009010010301.2 试验方案为探讨 TLA 与木质素纤维对复合改性高模量沥青混凝土路用性能的影响，试验共设计了 TLA 掺量为 10%、20%、30%、40%（占新沥青质量的百分比）的四组高模量沥青混凝土，同时参考已有研究成果10-11，于每组添加 6%掺量（占新沥青质量的百分比）的木质素纤维，通过采用高温加速加载试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及 APA 疲劳试验来评价TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土的路用性能及耐久性能。2 高模量沥青混凝土的配合比设计2.1 矿料级配设计参照法国高模量沥青混凝土 EME2 的设计思路进行矿料级配设计，试验选用 SMA-13 沥青混凝土的合成级配，考虑到中法两国标准筛孔存在差异，利用内插法将法国标准筛孔范围转换成国内筛孔对应的矿料级配范围，经级配优化设计后得到高模量沥青混凝土的合成级配，见表 3。表 3 高模量沥青混凝土的合成级配Table 3 Synthetic gradation of high-modulus asphalt concrete项目通过下列筛孔尺寸（mm）百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配上限1001007534262420161512级配下限1009050201514121098合成级配10094.359.828.118.916.815.613.711.99.92.2 最佳沥青用量确定高模量沥青混凝土的沥青用量采用法国 EME2 中丰度系数 K3.4 进行控制，通过控制丰度系数最小值为 3.4，参照文献12中的 K 值计算公式计算出表 3 中高模量沥青混凝土矿料级配的最佳沥青用量为 5.5%。试验首先将木质素纤维、TLA 及集料加入搅拌机内均匀干拌 1.5min，然后加入基质沥青继续拌合 1.5min，最后再加入矿粉拌合 1.5min，整个拌合过程为 4.5min，拌合温度控制为1705。不同 TLA 与木质素掺配比例下高模量沥青混凝土的最佳沥青用量采用马歇尔方法确定，同时以法国高模量沥青混凝土 EME 技术设计要求为依据，针对不同掺配比例沥青混凝土配合比的各项技术指标进行检验，结果见表 4，经过检验各复合改性高模量沥青混凝土的各项技术指标均符合 EME 的要求。表 4 高模量沥青混凝土配合比设计结果Table 4 Mix ratio design results of high modulus asphalt concrete项目TLA 掺量/%EME 技术要求010203040最佳沥青用量/%5.535.655.766.016.12丰度系数 K3.463.583.633.683.713.4复数模量/MPa15722114135207892378926136140002053951221116002196282198512000TSR/%85.186.588.285.985.370车辙变形率/%6.95.65.24.64.17.53 高模量沥青混凝土的路用性能为了探究 TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土的路用性能及耐久性能，参照 JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程、JTG F40-2017公路沥青路面施工技术规范等相关规范的规定，设计了6 组 TLA 与木质素纤维单掺、复掺改性高模量沥青混凝土组合方案，见表 5，采用高温加速加载试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验来评价沥青混凝土的路用性能，同时采用 APA 疲劳试验来评价沥青混凝土的耐久性能。表 5 复合改性沥青混凝土组合方案Table 5 Combination scheme of composite modified asphalt concrete序号TLA 掺量/%LF 掺量/%备注说明100PT2066%LF310610%TLA+6%LF420620%TLA+6%LF530630%TLA+6%LF640640%TLA+6%LF3.1 高温稳定性目前用于评价沥青混凝土高温稳定性能的试验方法较多，其中主要有车辙试验、三轴试验、加速加载试验、蠕变试验等。本文采用加速加载试验对 TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土的高温性能进行评价，试验温度为 60，试验轴载为 0.7MPa，加载速率为 6000次/h。TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土的高温加速加载试验结果如图 1 所示。70袁冻雷 TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土性能研究?图 1 沥青混凝土高温加速加载试验结果Fig.1 High-temperature accelerated loading test results of asphalt concrete由图 1 可知，随着加载次数的增加，TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土的车辙变形量均呈逐渐增大变化，其中当加载次数由 0 增至 10 万次时，车辙变形量呈快速增长，沥青混凝土处于压密变形阶段；当加载次数由 10 万次增至 70 万次时，车辙变形量呈平缓增长，沥青混凝土处于蠕变稳定阶段；而当加载达到 70 万次后，车辙变形量又开始出现快速增长，沥青混凝土进入剪切破坏阶段。在相同加载次数条件下，随着 TLA 掺量的增加，复合改性高模量沥青混凝土的车辙变形量大致呈先减小后增大变化，其中当 TLA 掺量由 0 增至 30%时，沥青混凝土的车辙变形量逐渐减小，而当 TLA 掺量由 30%增至 40%时，车辙变形量则有所增大。TLA 与木质素纤维复合改性后能够有效改善高模量沥青混凝土的高温稳定性能，原因是 TLA 经受热后离析出部分较硬的沥青质，它与基质沥青相互交融可提升新沥青的硬度及黏度，促进了沥青胶浆与集料间的粘附能力，加之木质素纤维也具有加筋、增黏的作用，从而增强了高模量沥青混凝土在高温轴载耦合下的抗变形能力。3.2 低温抗裂性沥青混凝土低温抗裂性能的评价方法较多，鉴于小梁弯曲试验方法操作简易，可以很好评价出沥青混凝土的低温抗裂性能，本文采用小梁弯曲试验对 TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土的低温抗裂性能进行评价。试验试件尺寸为 40mm40mm250mm，试验温度为-10，加载方式采用中点加载，加载速率为50mm/min。复合改性高模量沥青混凝土的低温弯曲试验结果如图 2 所示。?图 2 沥青混凝土低温弯曲试验结果Fig.2 Low-temperature bending test results of asphalt concrete根据图 2 可知，普通高模量沥青混凝土的弯拉强度和弯曲应变分别为 9.61MPa、2567，而 6%LF 沥青混凝土的弯拉强度和弯曲应变分别为 9.98MPa、2715，两者分别增大了 3.85%、5.77%，说明木质素纤维可以一定程度提升高模量沥青混凝土的低温抗裂性能，原因是掺入木质素纤维后，高模量沥青混凝土的柔韧性得到提高，加之木质素纤维具有加筋、分散以及增黏的作用，故增强其低温抗裂性能。复合改性高模量沥青混凝土的弯拉强度和弯曲应变均随着 TLA 掺量增加呈先增大后减小变化，其中 10%TLA+6%LF 沥青混凝土的弯拉强度和弯曲应变较于 6%LF 沥青混凝土有明显的增大，在 TLA掺量为 30%时弯拉强度和弯曲应变都达到了峰值，说明适量掺加 TLA 能够有效改善高模量沥青混凝土的低温抗裂性能，原因是 TLA 中沥青质的芳香性、极性及表面活性较强，能有效促进了沥青胶浆与集料间的粘附性，从而增强了低温抗裂性能，但随着 TLA 掺量的继续增加，TLA 灰分内含有的 CaCO3等碱矿物质会明显增大沥青的黏度及脆性，使得沥青混凝土的温度敏感性与应力松弛能力变差，导致低温抗裂性能下降。3.3 水稳定性TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土的抗水损害性能采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验进行评价。复合改性高模量沥青混凝土的水稳定性试验结果如图 3 所示。?图 3 沥青混凝土水稳定性试验结果Fig.3 Water stability test results of asphalt concrete由图 3 可知，普通高模量沥青混凝土的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比分别为 85.2%和 80.8%，满足JTG E20-2011 规定浸水残留稳定度 85%、冻融劈裂强度比 80%的要求，经 6%木质素纤维改性后沥青混凝土的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比分别增至 87.2%和 83.5%，说明木质素纤维能够改善高模量沥青混凝土的水稳定性能，原因是木质素纤维的比表面积较大，在沥青混凝土内均匀分散形成骨架空间网络，促进沥青混凝土整体结构更加稳固，故其抗水损害能力增强。复合改性高模量沥青混凝土的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均随着 TLA 掺量增加呈先增大后减小变化，其中在TLA 掺量为 30%时浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比分别高达 96.2%和 93.2%，表明掺入 TLA 可以明显增强复合改性高模量沥青混凝土的水稳定性能，原因是 TLA 的活性较高，不仅增强与基质沥青的相容性，还促进了沥青胶浆与集料间的粘附性，从而有利于抗水损害性能的提高。3.4 抗疲劳性APA 疲劳试验首先将成型的双层车辙板按照（300 mm125mm75mm）尺寸切割制成标准试件，试验温度为 15，钢轮轴载为 250LB，加载速率为 50Hz，试验终止条件为第 N 次位移变形测试值与此前 10 次的位移变形测试平均值之差大于 1mm。TLA 与木质素纤维复合改性高模量沥青混凝土的疲劳试验结果如图 4 所示。合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期71?图 4 沥青混凝土抗疲劳性试验结果Fig.4 Fatigue resistance test results of asphalt concrete根据图 4 可知，相较于普通高模量沥青混凝土，6%木质素纤维改性沥青混凝土的疲劳寿命次数有所增加，而车辙变形量有所减小，原因是木质素纤维在沥青混凝土内起到良好的加筋锚固和吸附稳定的作用，因此能够在一定程度的改善沥青混凝土的抗疲劳性能。随着 TLA掺量的增加，复合改性高模量沥青混凝土的疲劳寿命次数呈先增大后减小变化，而车辙变形量随之呈先减小后增大变化，说明在 TLA 掺量为 030%时，高模量沥青混凝土的抗疲劳性逐渐增强，原因是 TLA 的掺入促进了沥青胶浆与集料间的粘附性，且复合改性沥青胶浆的弹性变形和卸载能力良好，故利于提高其抗疲劳性；但过量 TLA 则会增加沥青混凝土的黏性与脆性，在荷载作用下结构内部易产生更多的微裂缝，从而诱发疲劳破坏现象。4 结论（1）木质素纤维具有加筋锚固和吸附稳定的作用，其单掺改性一定程度能够增强高模量沥青混凝土的高温抗车辙性能、低温抗裂性能、抗水损害性能及抗疲劳性能。（2）随着 TLA 掺量的增加，复合改性高模量沥青混凝土的高温车辙变形量与疲劳车辙变形量呈先减小后增大变化；适量 TLA 与木质素纤维复合改性能够改善高模量沥青混凝土在高温轴载或疲劳轴载下的抗变形能力。（3）随着 TLA 掺量增加，复合改性高模量沥青混凝土的弯拉强度、弯曲应变、浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比及疲劳寿命次数指标均呈先增大后减小变化，适量 TLA 与木质素纤维复合改性能够增强高模量沥青混凝土低温抗裂性能、水稳定性能及疲劳寿命。（4）掺入过量 TLA 会增加沥青的黏性与脆性，不利于高模量沥青混凝土路用性能及耐久性能的提升；采用适量的 TLA 与木质素纤维进行复掺，可综合提升高模量沥青混凝土的使用性能，推荐复合改性高模量沥青混凝土的最佳复掺组合为 30%TLA+6%木质素纤维。?1 曹健,张可强,吴钊.复合浇注式沥青钢桥面铺装车辙病害层位分布特性研究 J.公路,2022,67(07):28-32.2 肖青战,张超.复掺纤维环氧沥青混凝土的路用性能研究 J.合成材料老化与应用,2020,49(05):114-116.3 冯伟,刘朝晖,柳力,等.半刚性基层沥青路面车辙有限元模拟及灰关联分析J.中外公路,2021,41(06):60-65.4 高语,滕旭秋.基于 COMSOL 的沥青混凝土路面车辙预估 J.河北大学学报(自然科学版),2020,40(06):578-584,646.5 夏全平,高江平,罗浩原,等.用于高模量沥青砼的复合改性硬质沥青低温性能J.吉林大学学报(工学版),2022,52(03):541-549.6 陈水满,郝培文,袁文豪,等.高模量沥青混合料抗车辙性能研究 J.福建交通科技,2020(05):60-63.7 郭寅川,张争明,邵东野,等.高模量天然沥青混合料设计及路用性能对比研究 J.硅酸盐通报,2021,40(08):2811-2821.8 白劢.玄武岩纤维对高模量沥青混合料路用性能影响研究 J.公路与汽运,2022(01):57-60.9 陈安京.温拌高模量沥青混合料性能试验研究 J.长沙理工大学学报(自然科学版),2021,18(01):33-39.10 李红英.木质素纤维分散特性对 SMA 性能影响研究J.合成材料老化与应用,2021,50(03):70-72,117.11 张志强,陈冬,段鑫明,等.基于柔韧性改善的纤维高模量沥青混合料技术研究 J.森林工程,2022,38(03):153-162.12乔彦春.基于TLA与纤维复合改性技术高模量沥青混合料耐久性试验研究 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