木质素作为细骨料替代物对沥青混合料耐久性与开裂性能的可持续性提升研究

《Sustainable Futures》：Decentralized smart city transport via quantum computing and NFT spatial governance

为应对不可再生资源消耗和环境污染问题，本研究创新性地采用两种水解木质素替代2.5%细骨料于沥青混合料中。研究通过短期与长期老化模拟，结合ITSM、IDEAL-CT、FTIR及LFS等测试，发现木质素的掺入虽降低了混合料刚度(3-24%)和强度(4-22%)，但显著提升了抗裂性能(8-391%)。该研究为木质素在可持续路面建设中的高效利用提供了新途径，论文发表于《Sustainable Futures》。

　　

随着全球城市化进程的加速，道路基础设施建设对不可再生资源的消耗达到了惊人程度。据统计，全球路面建设行业每年消耗约200亿吨骨料，而沥青结合料的生产不仅面临原料短缺问题，更在2020年产生了2600万至8000万吨的碳排放。这种资源与环境的双重压力，迫使道路工程领域寻找更可持续的替代材料。

在这样的背景下，诺丁汉大学土木工程系的Dilan Patel、Hebah Jahan等研究人员将目光投向了自然界中储量丰富的生物聚合物——木质素。这种存在于植物细胞壁中的天然高分子化合物，因其芳香烃结构和交联分子特性与沥青结合料具有相似性，而显示出作为路面建设材料的巨大潜力。以往研究大多将木质素作为沥青结合料的部分替代物，但替代比例有限（通常仅为结合料重量的20-25%），其全生命周期的环境效益并不显著。

这项发表于《Sustainable Futures》的创新研究突破传统思路，首次将木质素作为细骨料替代物应用于沥青混合料，且替代比例达到2.5%，远高于此前研究的0.41-0.44%。研究人员假设，木质素的低密度和多孔形态会降低混合料刚度，但同时提升其抗裂性能。

研究团队采用了多种关键技术方法开展系统性评估。他们选用了两种水解木质素(L-A和L-B)替代4mm至0.063mm粒径的石灰石细骨料，制备了石玛蹄脂沥青(SMA)混合料。通过短期(135°C，2小时)和长期(95°C，120小时)老化模拟路面使用条件后，采用间接拉伸刚度模量(ITSM)和间接拉伸沥青开裂(IDEAL-CT)试验评价混合料力学性能。此外，通过微萃取技术从长期老化样品中回收结合料，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学变化，并通过低温频率扫描(LFS)评估流变特性。

5.1. 木质素表征测试结果

通过X射线荧光光谱(XRF)、扫描电子显微镜(SEM)和热重分析(TGA)对两种木质素进行表征。结果显示L-B颗粒呈棱角状，比圆形的L-A颗粒具有更大比表面积和更高反应活性。TGA表明两种木质素在典型沥青拌和温度(140-180°C)下保持稳定，不会产生降解产物。

5.2. 沥青混合料的刚度

木质素的掺入显著降低了混合料刚度，长期老化条件下，LM-A和LM-B的刚度分别比对照组(CM)低3%和23%。这种降低归因于木质素较低密度(1.22-1.31 Mg/m3)导致的填充效率下降，以及其多孔结构对结合料的吸收作用。

5.3. 沥青混合料的间接拉伸强度

与刚度结果一致，木质素掺入降低了混合料的拉伸强度。长期老化后，LM-A和LM-B的强度分别比CM低4%和16%。强度降低与结合料吸收导致的集料-结合料粘附减弱有关。

5.4. 沥青混合料的抗裂性能

尽管刚度和强度降低，木质素却显著改善了混合料的抗裂性能。长期老化后，LM-A和LM-B的CT_Index分别比CM提高391%和91%。这种改善源于木质素使混合料具有适中的刚度和强度平衡，提高了柔性和能量耗散能力。

5.5. FTIR结果

从长期老化混合料中回收的结合料FTIR分析显示，木质素改性结合料的羰基指数比对照组高11-14%。这可能是木质素吸收结合料中较轻组分导致的化学组成变化，而非单纯氧化老化。

5.6. 回收结合料的性能

流变学测试呈现复杂结果：L-A结合料表现出更好的低温抗裂性，而L-B结合料更脆且应力松弛能力有限。Glover-Rowe参数和刚度老化指数(SAI)表明木质素结合料具有更高的老化敏感性。

本研究得出结论，木质素作为细骨料替代物在沥青混合料中具有显著应用潜力。虽然会降低刚度和强度，但能有效提高抗裂性能，从而增强路面耐久性。两种木质素表现出的性能差异提示其效果高度依赖于木质素来源特性。L-A在提升抗裂性方面表现更优，而L-B则导致结合料更脆。这些发现为木质素在可持续路面建设中的高效利用提供了新视角，突破了其仅作为结合料替代物的传统应用模式。

研究的重要意义在于为生物基材料在道路工程中的规模化应用提供了理论依据和实践方案。通过将木质素用作骨料替代物，不仅提高了替代比例，最大化其环境效益，还通过改善抗裂性能延长了路面使用寿命，实现了资源节约与性能提升的双重目标。这一创新思路为未来可持续道路材料开发指明了方向，对推动交通基础设施领域的绿色转型具有重要参考价值。