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第25卷 第4期重 庆 交 通 学 院 学 报2006年8月 Vo1125No14JOURNAL OF CHONG QINGJIAOTONGUNIVERSITYAug. ,2006 长短纤维沥青砼力学性能试验对比研究 仲玉侠, 余 芳 重庆交通学院 道路与铁道专业,重庆400074 摘要:通过纤维沥青混合料马歇尔试验,系统的研究纤维掺量,纤维类型,沥青用量,击实次数,纤维形状各方面影 响因素对砼马歇尔指标的影响及路用性能,并分析了相应的纤维作用机理,旨在发现一些规律来指导混合料的设 计施工. 关 键 词:纤维;沥青混合料;马歇尔试验;路用性能;作用机理 中图分类号:U414175 文献标识码:B 文章编号:10012716X(2006)0420065205 目前,国内外沥青混合料配合比设计方法很多, 传统方法有马歇尔设计法、 维姆设计法,近年来新发 展的有综合设计法、Superpave设计法,以及某些特 殊沥青混合料设计方法如SMA等.我国现行规范规 定的沥青混合料配合比设计法是马歇尔法.尽管近 年来人们对马歇尔设计方法提出许多质疑,但现阶 段该方法仍广泛应用于中国沥青路面设计.文献1 介绍了沥青混合料马歇尔配合比设计方法及其优缺 点,但并未涉及纤维沥青混合料的研究.文献2提 出了沥青合料的击实温度对混合料空隙率的影响. 文献3 ,4对多种纤维进行了研究,但并未对钢纤维 进行研究.最近几年,纤维沥青路面得到了广泛应 用,但在设计与施工中却存在许多问题,为了便于设 计和施工控制,对纤维沥青混合料的马歇尔试验结 果进行分析就显得非常必要.目前,尚未见其它文献 对纤维沥青混合料的马歇尔试验指标的变化规律的 相关报道.对钢纤维沥青混合料马歇尔试验研究更 为少见.为此,本文以木质素纤维,德兰尼特纤维、 钢 纤维为例对其马歇尔试验结果进行了深入的讨论研 究,并简要分析了纤维沥青混合料的路用性能,旨在 为纤维的选择和纤维沥青混合料设计与施工提供了 参考意见. 1 原材料及试验方法 采用韩国SKAH - 70重交通沥青,粗集料采用 破碎花岗岩碎石,细集料采用与沥青粘附极好石灰 石石屑,矿粉为磨细的石灰石.纤维采用三种纤维, 长纤维(钢纤维)和短纤维(德兰尼特纤维、 木质素纤 维 ) . 采用AC - 13I连续型密级配,试验用合成级配 采用规范中值. 纤维沥青混合料的最佳沥青用量尚没有合理的 方法.本次试验仍采用马歇尔试验确定不同纤维沥 青混合料的最佳沥青用量.整个试验严格按照 试验 规程 进行.按照高等级公路马歇尔试验技术标准中 的AC - 13I型沥青砼指标要求确定最佳沥青用量及 各力学物理指标. 2 纤维用量对马歇尔试验结果的影响 纤维用量是指纤维占全部纤维沥青混合料的质 量百分比.纤维用量不同,纤维在混合料中的分散 性、 有效比表面积及对混合料的加强作用也不尽同. 为此,本文采用德兰尼特纤维用AC - 13 的混合料 进行了马歇尔试验结果比较,纤维用量分别采用 011 % ,012 % ,013 % ,其结果如表1和图1所示. 如图1所示,随着纤维掺量的增加,纤维沥青混 表1 纤维用量对马歇尔试验结果的影响 纤维用量%油石比%密度g/ cm3空隙率%沥青饱和度%矿料间隙率%稳定度kN流值mm 011418214352187918131814162518 012419214472128410131515123512 013510214193127814141615158415 收稿日期:2005207221 作者简介:仲玉侠(1978 - ) ,女,吉林四平人,硕士生,主要从事路基路面方向的研究. 合料的密度增加,当德兰尼特纤维掺量达012 %时 密度达到峰值,继续增加掺量时密度则明显下降.空 隙率的变化规律则相反,矿料间隙率的变化规律与 空隙率一致,均在德兰尼特纤维掺量达012 %时达 到最低值.这是因为,纤维的体积较疏松,且纤维有 一定的弹性效应,纤维加入混合料后要占用一定的 空间,在相同的击(压)实功能下,纤维沥青混合料的 密实过程相对要困难些,从而使纤维沥青混合料的 密度下降,且纤维用量越高,密度越低,纤维要占据 一定的空间,密实过程受到一定的限制,使其孔隙率 有所增大.同时,沥青所占的体积百分比增加,因而 VAF也将增大.故施工中应提高压实功能或压实 遍数以提高纤维沥青混合料的密实度. 图1 纤维用量对马歇尔试验结果的影响 纤维加入后,混合料的最佳沥青用量增加,同时 纤维又有提高混合料的抗变形能力的作用.因此,纤 维混合料的流值随纤维用量的增加也是增大的,但 其增加幅度放缓.可见,流值同沥青用量关系十分密 切,沥青用量越大,流值也越高. 由于纤维的加入如同填料一样,需要有更多的 沥青包裹在纤维的表面,纤维越多,其总比表面积越 大,其表面吸附沥青也越多.但当纤维用量过高时, 纤维在沥青混合料中的分散性将受到限制,会产生 结团成束现象,使其总比表面积不增加或增加不大. 由此可见,纤维的加入并非越多越好,应视其分散性 而定. 从复合材料角度看5,宏观上纤维沥青混合料 是连续的,但从细观角度看又是不连续且非均质的, 因而纤维加入后,往往在其分散性受到限制时,结团 成束的纤维成为混合料中的 “强度弱点”,引起强度 不均匀性,有使混合料强度下降的趋势.同时,纤维 在混合料中又有不同程度的桥接加筋作用,并提高 了沥青与矿料间的界面强度,使混合料整体强度有 所提高.因此纤维沥青混合料的强度值应视其加强 与减弱作用的综合情况而定.故在较低用量时,纤维 混合料的稳定度增大,但纤维用量太高,分散性下 降,强度削弱增强,反而使混合料的稳定度值降低. 3 纤维类型对马歇尔试验结果的影响 311 在最佳沥青用量下 本文采用3种的纤维包括长纤维(钢纤维)和短 纤维(德兰尼特纤维、 木质素纤维 ) . 纤维类型不同, 结构组成也不一样,在混合料中的作用也不尽相同. 对于短纤维,我们分别按马歇尔法确定最佳沥青用 量,对钢纤维由于其内部结构并不吸附沥青,所以认 为最佳沥青用量与不加纤维前一样.在最佳沥青用 量下马歇尔结果如表2所示. 从试验结果看,短纤维沥青混合料最佳沥青用 表2 最佳沥青用量下纤维类型对马歇尔试验结果的影响 纤维类型油石比%纤维用量%密度g/ cm3空隙率%沥青饱和度%矿料间隙率%稳定度kN流值mm 无纤维4170102144721581151313141024120 德兰尼特419012214402128410131515123512 木质素5130122143821086101411121835156 钢纤维4172102146811687111216161015140 量均有增加,其增长幅度同纤维类型有关.木质素纤 维比表面积大,多孔结构,吸附沥青能力强,故其最 佳沥青用量最大;德兰尼特纤维呈纫丝状,质地较 密,表面较光滑,表面积相对较小,对沥青的吸附量 相对减少,沥青最佳用量增加较小.在最佳沥青用量 下,短纤维加入后,混合料密度均有所下降,理由如 前所述.钢纤维则恰恰相反,钢纤维的相对密度较 大,所以钢纤维的掺入使混合料的密度增加,而孔隙 率和矿料间隙率均下降.除木质素纤维外,各纤维沥 青混合料的稳定度均增加,其中钢纤维稳定度值最 高,所以钢纤维可用于抵抗变形和开裂状况.最佳沥 青用量越高,流值也越大,故木质素纤维沥青混合料 的流值最大. 312 在相同沥青用量下 从表3可以看出,在较低的沥青用量下,德兰尼 特纤维和木质素纤维没有足够的沥青包裹并添充到 矿料孔隙中,故其孔隙率变大,相对密度变小.而钢 纤维混合料密度与其它纤维加入后相比密度最大, 66 重 庆 交 通 学 院 学 报 第25卷 空隙率最小,稳定度最大.木质素纤维的最佳沥青用 量最大,纤维的加筋作用较小,其稳定度值较小.德 兰尼特纤维和钢纤维的加筋作用显著,纤维加入均 可不同程度的提高混合料的抗变形能力,具有阻裂 效果,故各纤维沥青混合料的流值均有所增大.纤维 沥青混合料的马歇尔稳定度一般是在其最佳沥青用 量处有最大值,故在较低的沥青用量下,没有足够沥 青包裹纤维和矿料,混合料的粘结作用减弱,使得各 纤维沥青混合料的稳定度值均低于最佳沥青用量时 的稳定度值. 表3 相同沥青用量下纤维类型对马歇尔试验结果的影响 纤维类型油石比%纤维用量%密度g/ cm3空隙率%沥青饱和度%稳定度kN流值mm 无纤维413010214243177319131683122 德兰尼特413012214104127110141895129 木质素413012213944186719121754102 钢纤维413210214323137517151593197 4 纤维形状对马歇尔试验结果的影响 在试验中采取波纹状和直线状钢纤维进行对比 表4 纤维形状对马歇尔试验结果的影响 纤维形状型吸水率( %)密度(g/ cm3)空隙率( %)沥青饱和度( %)矿料间隙率( %)稳定度kN流值mm 直线状0132146811687111216151595157 波纹状0132148611086101210161125153 研究形状对马歇尔指标的影响,从表4可以看出,形 状的改变对吸水率是没有影响的,可以说在改善水 损害方面是不用通过改善钢纤维的形状来解决.但 对混合料的空隙率影响很大,由于纤维形状的改变, 波纹状的钢纤维在沥青的包裹下更容易与细级料结 合在一起共同作用,导致在同样的击实功下,其空隙 率明显变小,密度增加.另外,由于波纹状能够起到 咬合紧密而且可以提高抵抗变形的能力,矿料间隙 率减小,稳定度提高.同样长度的纤维由于波纹形状 增加了比表面积,所以导致沥青的饱和度降低. 5 击实次数对马歇尔试验结果的影响 对3种纤维进行了对比研究,在最佳沥青用量 表5 击实次数对对马歇尔试验结果的影响 纤维类型油石比%纤维用量吸水率%密度g/ cm3空隙率%沥青饱和度%矿料间隙率% 击实次数75次 无纤维4170100122144721581151313 德兰尼特4190120122144021284101315 钢纤维4172100132146811687111216 击实次数50次 无纤维4170100152142731276191410 德兰尼特4190120152140931775121418 钢纤维4172100162143231078151318 下,纤维含量为012 %和2 %的混合料进行研究,可 以看出:击实次数从75次减小到50次时,密度均减 小了.空隙率均明显有大幅度提高,矿料间隙率略 有提高,吸水率普遍提高两倍多. 对于短纤维混合料若采用双面击实50次成型 试件,往往纤维有一定的弹性效应,在相同的击(压) 实功能下,纤维沥青混合料的密实过程相对要困难 些,从而使纤维沥青混合料的密度下降,且纤维用量 越高,密度越低.同时,沥青所占的体积百分比降低, 因而VMA也将增大.故施工中应提高压实功能或 压实遍数.在通常密级配混合料中添加纤维的混合 料,其马歇尔采用双面击实75次6成型试件.可以 控制马歇尔稳定度在规定范围内.钢纤维材料的三 维乱向分布,对混合料的击实密度产生了影响.根据 沥青混合料的强度理论分析,钢纤维沥青混合料获 得合适的密度时,才能充分发挥其强度优势. 从以上数据可以看出,击实次数对混合料的物 理力学性质指标的影响不容忽视.特别是水损害严 重的地方更应该严格控制击实次数,避免空隙率过 大或过小而引起吸水率增大而导致胶结料剥落影响 路面使用寿命. 6 纤维沥青混合料的路用性能及结果 分析 纤维沥青混合料马歇尔试验仅能反映其部分力 学与温度特性,故还有必要进行高温稳定性,低温抗 裂性及水稳定性等路用性能试验反映其抗变形能力 和抗疲劳能力,试验中采用纤维掺量分别为012 % 76第4期 仲玉侠,等:长短纤维沥青砼力学性能试验对比研究 德兰尼特AD ,012 %木质素AM ,2 %钢纤维AG. 611 纤维沥青混合料的高温稳定性 高温稳定性采用60 车辙试验,结果见表6. 表6 纤维沥青混合料车辙试验结果 纤维类型动稳定度次/ mm 无纤维AC630 德兰尼特AD1004 木质素AM394 钢纤维AG613 从表6可以看出,加入纤维后,混合料马歇尔稳 定度M. S为,AM AC AD AG;而混合料的动稳 定度D. S为AM AC AG AD.动稳定度越高,抗 变形能力越强.马歇尔稳定度D. S和动稳定度D. S 虽同属高温指标,但两者物理意义并不相同,D. S反 映高温变形能力,而M. S是反映高温极限强度,因 此,混合料的影响不尽相同,影响高温变形的主要因 素是骨架结构,而影响强度的主要因素是强度和内 摩阻力. 612 纤维沥青混合料的低温抗裂性 低温抗裂性采用- 10 劈裂试验,试验结果见 表7. 表7 纤维沥青混合料劈裂试验结果 纤维类型劈裂强度MPa 无纤维AC4100 德兰尼特AD4108 木质素AM3147 钢纤维AG4169 从表7可以看出,与未加纤维相比,德兰尼特与 钢纤维沥青混合料的加入均使混合料劈裂强度增 加,而木质素沥青混合料劈裂强度有所降低.这说明 纤维的 “桥接加筋” 作用提高了混合料的极限拉应 力,特别是钢纤维的高抗拉强度更有利于改善沥青 混合料的低温抗裂性. 613 纤维沥青混合料的水稳定性 水稳定性采用冻融劈裂试验残留稳定度指标来 评价,试验结果见表8. 表8 纤维沥青混合料劈裂试验结果 纤维类型残留稳定度% 无纤维AC8815 德兰尼特AD8917 木质素AM8817 钢纤维AG8912 从表8可以看出,纤维的加入对沥青混合料残 留稳定度都有不同程度的改善,德兰尼特纤维沥青 混合料的残留稳定度最高大8917 % ,这是由于德兰 尼特纤维多孔,对沥青具有较强的吸附能力,导致吸 附在矿料上的沥青膜变厚,并减少自由沥青用量,提 高沥青与集料的粘结力,加强沥青与集料形成的界 面膜抵抗水分剥离的能力,同时德兰尼特纤维多相 分布的加筋作用,因而,德兰尼特纤维沥青混合料表 现出较高的残留稳定度,其抗水害能力增强. 7 纤维沥青混合料的增强机理分析 711 木质素纤维吸附稳定的作用机理 木质素纤维分散到沥青中,其巨大的表面积可 成为沥青浸润的界面,在其界面上纤维可以吸附大 量的沥青,形成一个新的有一定界面的相,称为界面 层.界面层的结构与性质取决于沥青与纤维两相的 性质.界面层的作用是连接两相并传递、 缓冲两相间 应力,是影响整个纤维沥青材料物理、 力学性能的关 键.不同的纤维对应不同性质的界面层.沥青中酸性 树脂组分是一种表面活性物质,它与纤维表面产生 吸附作用、 物理浸润作用以及有时存在的化学键作 用,使沥青呈单分子状排列在纤维表面,形成结构牢 固的结构沥青界面层. 712 德兰尼特纤维阻裂的作用机理 德兰尼特纤维分散在沥青胶结料中,形成一种 以纤维为基质,沥青胶结料为基体的复合材料.根据 复合材料纤维间距理论,由于复合在纤维基体内的 短纤维的分布是三相随机的且数目众多,故混合料 中小裂纹周围甚至内部会有许多纤维,受外力作用 时,裂纹周围存在众多约束,对裂纹扩展起阻滞作 用.从复合的角度看,即纤维大分子的软链与沥青高 分子产生交连、 嵌段等作用,约束了沥青高分子的运 动.从而提高了纤维混合料自愈能力,增强弹性恢 复,减少裂缝,延缓老化. 713 钢纤维加筋的作用机理 由于钢纤维在沥青混凝土内的分布是三相随机 且纤维数量却相当大.故在混合料中广为分布,纤维 对沥青混凝土起阻裂作用,提高了纤维混合料自愈 能力,减少裂缝,保证沥青整体性.根据复合材料力 学理论和有限元进行分析,纤维的加入能改变沥青 混凝土层在车辆荷载荷温度作用下的力学状态,大 幅度减少接缝处的应力集中,从而阻止裂缝产生和 发展,增加路面整体结构钢度,减小路面弯沉,提高 抗车辙能力. 8 结 论 1) 分散性的保证是纤维沥青混合料性能得以 发挥的前提.纤维用量过高时,纤维在沥青混合料中 的分散性将受到限制,会产生结团成束现象,使其总 比表面积不增加或增加不大.由此可见,纤维的加入 并非越多越好,应视其分散性而定. 86 重 庆 交 通 学 院 学 报 第25卷 2) 木质素纤维和德兰尼特纤维沥青混合料的 最佳沥青用量均有所增加.但表面越粗糙,体积越硫 松,比表面积越大,其最佳沥青用量也越大. 3) 纤维沥青混合料的稳定度最大值一般都在 最佳沥青用量左右取得.沥青用量接近最佳用量时, 纤维的加强作用得以体现,稳定度迅速增加,在最佳 用量左右达到最大值.沥青用量再增加,稳定度因沥 青用量偏多,自由沥青的润滑作用下,稳定度将降 低,但比相同沥青用量下的普通混合料的高. 4) 钢纤维形状的改变对吸水率是没有影响的, 但对混合料的空隙率影响很大,随着纤维的曲度增 加,纤维的空隙率明显降低.由于波纹状能够起到咬 合紧密而且可以提高抵抗变形的能力,矿料间隙率 减小,稳定度提高.钢纤维稳定度值最高,所以钢纤 维可用于抵抗变形和开裂状况. 5) 德兰尼特纤维多相分布的加筋作用及其多 孔结构对沥青的吸附作用,德兰尼特纤维能够较好 的改善沥青混合料高温抗变形能力和水稳定性. 参考文献: 1 吴超凡,童光明.对马歇尔设计方法与设计标准的几点 看法J .湖南交通科技,2003 ,29(3) :123. 2 鲁正兰,袁志平,朱梦良.温度对沥青混合料空隙率的 影响J .中南公路工程,2004 ,29(1) :51254. 3 陈华鑫,张争奇,胡长顺.纤维沥青混合料马歇尔试验 J .长安大学学报(自然科学版) ,2003 ,23(2) :7210. 4 张争奇,胡长顺.纤维加强沥青混凝土几个问题和讨论 J .西安公路交通大学学报,200l ,2l(1) :29232. 5 肖桂彰,郑传超.道路复合材料M.北京:人民交通出 版社,1999:

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