（道路与铁道工程专业论文）SAC纤维沥青混凝土路用性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 s a c 是1 9 8 8 年由我国开发研制的性能优良的多碎石沥青混凝土，在大量 工程应用中取得了良好的经济效益近年来，随着经济的发展，仅依靠优良的 级配而使用基质沥青的s a c 混凝土的路用性能已经不能满足交通量和轴重增 加的需要，迫切需要采用各种先进的技术来全面提高其性能。在提高沥青混凝 土性能的众多措施中，纤维加强方法以其经济性好，技术性能优良等特点越来 越受到人们的关注。许多单位都对多种类型纤维沥青混凝土进行了大量的系统 的研究，得到了许多重要的结论，但是，对纤维增强s a c 沥青混凝土的路用性 能，特别是长度较大聚合物纤维，系统的研究较少。 本文系统研究了长度为1 9 舢的f o r t a o a r 和长度为6 衄的t o p r o a d i i 聚合物纤维两种s a c 纤维沥青混凝土的路用性能。首先总结了以前纤维沥青混 凝土的研究成果，分析了研究s a c 纤维沥青混凝土的方案；然后在综合了c a v f 体积法设计级配和s a c 级配设计及检验方法的基础上采用计算法设计了s a c 骨架密实结构级配；最后，分别根据由沥青混凝土各种路用性能不足引起的路 面损坏的特征，分析了检验沥青混凝土路用性能的试验方法，通过马歇尔、车 辙、高温弯曲、浸水马歇尔、冻融劈裂、低温弯曲和渗水系数等试验研究了s a c 纤维沥青混凝土的路用性能，并采用粘弹性力学和复合材料学原理对纤维改善 沥青混凝土路用性能的作用机理进行了分析。 研究表明，两种纤维均有效的提高了s a c 沥青混凝土的路用性能。在 f o r t a 西a r 掺量为0 0 4 5 ，最佳沥青含量比基质沥青混凝土增加0 1 ，t o p r o a d i i 掺量为0 2 2 7 ，最佳沥青含量增加0 3 的情况下，两种纤维的增强效果相 差不大。总体来说，f o r t a a r 纤维效果稍好，但在混凝土中分散性稍差；t o p r o a d i i 纤维需要较多的增加沥青用量，也需要较大的压实功来保证密实度。与不掺 加纤维的沥青混凝土相比，纤维沥青混凝土的粘度、模量、韧性、蠕交变形( 极 限) 强度和蠕变破坏强度以及疲劳性能都有所提高。 关键词：s a c 沥青混凝土骨架密实结构纤维增强 f o r t a 雪a r t o p r o a di i 路用性能作用机理 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s a ci sak i n do fg o o dp e r f o 蚰a n c ea s p h a l tc o n c r e t e w h i c hw a sd e v e l o p e db y o u rc o u n t r yi n1 9 8 8 ，a n dh a sg o tv e r yg o o de c o n o m i cb e n e f i ti nl o t so fe n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s i nr e c e n ty e a r s ，a l o n g 诵t l lt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ep a v e m e n t p e r f o r m a n c eo f u n m o d i f i e ds a ca s p h a l tc o n o r o t ec a nn o ts a t i s f yt h ed e v e l o p m e n to f 仃a 伍ca n dv e h i c l el o a d s ot h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c eo f a s p h a l tm i x t u r en e e d st ob e i m p r o v e du r g e n t l yb ya n yk i n do fa d v a n c e dt e c h n o l o g y a m o n gt h e s et e c h n o l o g i e s , f i b e rr e i n f o r c i n gi sp a i dm o r ea t t e n t i o nd u et oi t si n e x p e n s i v ea n dg o o dp e r f o r m a n c e al o to fr e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n eo nf i b e rr e i n f o r c e da s p h a l tm i x t u r e ，a n da l s o a c h i e v e dm a n yu s e f u lr e s u l t s ，b u tt h er e s e a r c ho np a v e m e n tp e r f o r m a n c eo ff i b e r r e i n f o r c e ds a c a s p h a l tm i x t u r e ，e s p e c i a l l ys y s t e m i cr e s e a r c ho nl o n gp o l y m e rf i b e r , i ss e l d o mp e r f o r m e d t h i sp a p e rr e s e a r c h st h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c eo fs a ca s p h a l tm i x t u r e r e i r f f o r c e db y1 9 m ml o n go ff o r t a a ra n d6 m ml o n gt o p r o a di ip o l y m e r f i b e r f i r s t , i ta n a l y z e st h er e s e a r c hs c h e m eo ff i b e rr e i n f o r c e ds a ca s p h a l tm i x t u r o b a s e d0 1 1p r e v i o u ss t u d i e s ；s e c o n d , i td e s i g n st h es t o n e - t o - s t o n ec o n t a c ts t r u c t u r e s a ca s p h a l tm i x t u r eu s i n gm o d i f i e dc a v fd e s i g nm e t h o d ；f i n a l l y , i ta n a l y z e st h e p a v e m e n tp e r f o r m a n c eo ff i b e rr e i n f o r c e ds a ca s p h a l tm i x t u r eb yas e r i e so ft e s t s ， a n da n a l y z e st h em e c h a n i s mo ff i b e rr e i n f o r c eb yv i s c o e l a s t i cm e c h a n i c sa n d c o m p o s i t cm e c h a n i c s t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a t , b o t l lk i n d so fp o l y m e rf i b e rc a ni m p r o v et h e p a v e m e n tp e r f o r m a n c eo ff i b e rr e i n f o r c e ds a ca s p h a l tm i x t u r ee f f e c t i v e l y w h e n f o r t a a rd o s a g ei s0 0 4 5 a n di t so p t i m u ma s p h a l tc o n t e n ti s0 1 h i g h e rt h a n t h ep u r ea s p h a l tm i x t u r e , w h i l et o p r o a di i d o s a g ei so 2 2 7 a n di t so p t i m u m a s p h a l tc o n t e n ti so 3 h i g h o rt h a nt h ep u r ea s p h a l tm i x t u r e t h er e i n f o r c i n ge f f e c t o f t h e mi ss i m i l a r g e n e r a l l y , t h ee f f e c to ft h ef o r t a a ri sb e t t e rt h a nt h a to ft h e t o p r o a di i ，b u tt h ed i s p e r s i b i l i t yo ff o r t a a ri nt h ea s p h a l tm i x t u r ei sl o w e r ；, t h et o p r o a d1 1n e e d sm o r ea s p h a l ta n dc o m p a c te n e r g yt oe n s u l 屯h i g hd e n s i t y 山东大学硕士学位论文 c o m p a r e dw i t ht h ea s p h a l tm i x t u r ew i t h o u tf i b e r , t h em a t e r i a lp r o p e r t i e so ft h ef i b e r r e i n f o r c e da s p h a l tn l i x t u r e , i n c l u d i n gv i s c o s i t y , m o d u l u s ，t o u g h n e s s , c r e e ps t r e n g t h a n df a t i g u el i f e , a r ei m p r o v e d k e y w o r d s ： s a ca s p h a l tm i x t u r e , s t o n e - t o - s t o n ec o n t a c ts 1 3 u c t u r e ，f i b e rr e i n f o r c e ，f o r t a a r ， t o p r o a d l i ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e , r e i n f o r c 腻lm e c h a n i s i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：焦笼 日 期：塑垒五窆! ! 量 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：馑壹豳导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 i i 多碎石沥青混凝土( s a c ) 的发展和特点1 i 为提高中国高速公路沥青路面的表面粗糙度，使高速行车更安全，1 9 8 8 年 我国研究开发了多碎石沥青混凝土( s a c ) 。s a c 是一种密实式粗集料断级配沥 青混凝土，主要有s a c - 3 0 、2 0 、1 3 和9 5 等几个系列，于1 9 9 7 年被纳入中 国沥青路面设计规范。并在随后的实践中，又对级配作了一些补充规定，保证 了s a c 良好的性能。s a c 发展到今天，已经与s m a 、a k 与a c 等成为最常用的 级配之一，具有极大的推广前景。 在路面结构中，用作抗滑表层的是s a c 一1 6 和s a c 一1 3 ，其级配范围见表 i - i 。从与常用的s m a 、a c 两种级配的对比中可以看到s a c 具有以下特点：s a c 填料比a c 多2 ，比s m a 少2 ，因此能形成更多的有利于沥青混合料粘结的 沥青胶泥，并且比s m a 的离析性小；s a c 在粗细集料分界点4 7 5 处的通过率 为3 0 4 0 ，粗集料用量比s m a 少而比a c 多，细集料用量比s m a 多而比a c 少，因此，s a c 吸取了s m a 形成骨架密实结构，抗车辙性能好，a c 不易离析， 施工性能好等优点。具体来说，s a c 主要的特点有三个：一是马歇尔试验的空 隙率为3 5 4 2 ，在保证压实度的前提下，其透水性小；二是抗永久形变能 力( 即高温稳定性) 强，其动稳定度高于传统沥青混凝土a c ；三是表面粗糙度 好，t d o 8 m m 。 s a c 、s i l a 和 c 三种沥青混凝土的级配表卜1 级配通过下列方筛孔的质量百分率 类型 1 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 60 3o 1 50 0 7 5 s a c 一i 0 09 5 6 0 3 0 2 2 1 6 1 2 1 0 8 6 1 0 1 31 0 07 54 03 12 42 01 71 5 s a c -1 0 09 5 7 5 5 5 3 0 2 2 1 6 1 2 l o 8 6 1 0 1 61 0 09 07 04 03 l2 42 01 71 5 山东大学硕士学位论文 ( 续上表) s m a - 1 3i 0 09 0 5 0 2 0 1 5 1 4 1 2 i o w9 8 1 0 0 7 53 42 62 42 01 61 51 2 s m a - 1 61 0 09 0 6 5 4 5 2 0 1 5 1 4 1 2 l o w9 8 1 0 08 5 6 53 22 42 21 81 5 1 4 1 2 a c 一1 31 0 09 0 6 8 3 8 2 4 1 5 l o b 7 5 4 1 0 08 5 6 85 0 3 8 2 8 2 0 1 58 a c - 1 6i 0 09 0 7 6 6 0 3 4 2 0 1 3 9 7 5 4 1 0 09 28 0 6 24 83 62 6 1 8 1 48 s a c - 1 6 、1 3 系列作为抗滑表层，已经在我国1 5 0 0 k m 多高速公路上得到应 用，并获得了良好的使用效果。在沪宁、石安、安新等高速公路上，仅使用纯 沥青的s a c ，在6 月中旬以后连续高温条件下，在交通量较大、行驶载重汽车 多的行车道上开始产生轻重程度不一的泛油现象，表面局部间隙式发亮，严重 路段连续发亮，但是，交通量较小且主要行驶小汽车的超车道，仍然保持原有 的宏观粗糙度。在南京机场高速公路和宁通高速公路上，表面层采用相同的 s a c ，由于该路上交通量不大，夏季过后，无论在超车道还是行车道都保持原有 的宏观粗糙度。济青高速公路青岛段使用的s a c - 1 6 ，1 9 9 3 年底通车使用的7 年 时间内，基本无泛油现象。2 0 0 0 年5 月在济青高速公路上完成的2 4 k m 超薄 沥青面层( s a c - 9 5 ，2 5 c m 厚) 至今状况良好。 近年来，我国沙庆林院士连续发表多篇文章，分析了沥青面层的技术状况 和发展方向。指出，沥青面层所用混凝土的发展方向将是粗集料断级配，充分 肯定了s a c 的路用性能。更重要的是，在s a c 级配设计方面，沙院士提出了s a c 级配设计的计算方法，并对设计的级配能否形成骨架密实结构提出了v c a _ d r f 和v c a _ a c 两种检验方法，这都为保证s a c 级配的骨架密实结构提供了行之有 效的方法。这些成果无疑在理论上极大地推动了s a c 的发展。 随着改性沥青混合料技术的发展，改性沥青混凝土表现出更优良的路用性 能。采用多种方法对s a c 沥青混凝土进行改性研究，必然会大幅度提高s a c 的 路用性能，这也是s a c 发展的趋势之一，具有重要的现实意义。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 纤维沥青混凝土的发展埘l 纤维在建筑材料中的最早应用是古代埃及人把粗稻草“纤维”加入到粘土 砌块中去。古代中国人也已经知道把稻草麦秆剁碎、用切断的毛发、麻丝搅拌 到泥土中，增加土坯墙体使用寿命的道理。现在，随着复合材料的发展，纤维 增强材料得到深入的研究，玻璃纤维增强塑料、纤维增强橡胶等等纤维增强材 料逐渐在各个领域得到广泛的应用。先进的纤维增强复合材料在改善和协调工 业化建设生产与资源和环境之间的关系方面，正在发挥越来越重要的作用，也 为国防工业和一般工业提供了强有力的材料支撑。 现代公路交通向着高速、重载、大流量和渠化明显的方面发展，普通沥青 路面出现了较为严重的早期损坏问题，如沥青面层开裂、车辙、波浪或搓板、 沉陷、剥落、坑槽等。引起沥青路面损坏的各种因素中，沥青混合料路用性能 不良是重要原因之一沥青混合料高温稳定性不足，就会造成车辙损坏，低温 抗裂性能与抗疲劳性能差就会造成各种形式的开裂损坏等。因此，不断提高沥 青混合料的路用性能成为公路建设的重要研究课题之一。 在改善沥青混合料的路用性能方面，人们除了对级配优化及改性沥青的研 究，自然也想到了纤维增强的方法。1 9 6 0 年，加拿大首次系统研究了纤维改善 沥青路面抗反射裂缝的性能。2 0 世纪6 0 年代，人们对其他一些纤维材料，如 金属织物、温石棉纤维以及短切石棉纤维对沥青混合料性能改善作用进行了研 究。随后，聚合物纤维、木质素纤维和玻璃纤维得到广泛应用，纤维织物或纤 维格栅也开发应用于沥青混合料中。现在，多种纤维已经在沥青混合料中得到 推广应用，其使用目的由最初的抗反射裂缝的产生转变到对沥青混合料综合性 能的改善，使用场合也由最初的沥青加铺层发展到各式各样的沥青混合料( 如 s m a 、薄层或超薄层的沥青混凝土、多孔性沥青混凝土 0 g f c 、稀浆封层和双 层防裂上铺层等) 。 1 3 纤维沥青混凝土国内外研究现状1 5 - 7 1 1 3 1 国外研究现状 早在2 0 世纪6 0 年代，国外就开始了对纤维改善沥青路面性能的研究。 3 山东大学硕士学位论文 1 9 6 0 年，加拿大多伦多大学的d a v i s ，n m 发表了水泥混凝土路面沥青加 铺层反射裂缝防治措施研究一文中，首次系统研究了纤维作为添加材料改善 沥青路面抗反射裂缝性能。1 9 6 1 年t o n s 和e g o n s 在“第2 9 0 号公路研究公 报”上提出了沥青加铺层中使用金属织物的思想。1 9 6 2 年t a m b u r r o ，d a 分 析了温石棉纤维对沥青路面性能的影响。1 9 6 3 年z u e h l k e ，g h 正式在“第2 4 号公路研究档案”中系统分析了短切石棉纤维在沥青混合料马歇尔试验和抗弯 拉性能中的作用效果。到了2 0 世纪8 0 年代初，聚合物纤维、木质素纤维和 玻璃纤维得到广泛应用，同时纤维织物或纤维格栅也开发应用于沥青混合料中。 1 9 8 0 年，d y k e s ，j w 讨论了纤维织物的抗反射裂缝性能。1 9 8 3 年，y a n d e l l ， w 0 在从p t ( a s s o c i a t i o no fa s p h a l tp a v i n gt e c h n o l o g i s t ) 上讨论了纤维 织物对延长路面使用寿命的作用。1 9 8 5 年b r o w n ，s f 对格栅加强路面进行 了系统研究，与此同时n e n n e p o h l 和g e r h a n d 对纤维格栅加强沥青路面的设计 方法和应用进行了系统阐述。 。 同时，沥青混凝土用纤维的生产也得到了巨大的发展。自2 0 世纪6 0 年 代以来，世界各国不断拓宽纤维技术研究领域当时发展较快的当属日本，日 本沥青基碳纤维已跃居世界先进水平。美国近两年经过调整后发展也较快，扩 大了生产能力和规模，如较有影响的h e x c e l 公司、z o l t e k 公司和a m o c o 公 司，其合计产量已居世界第二位。美国k a p e j o ( 卡佩雅) 公司的聚酯纤维 b o n i f b e r s o 是1 9 7 0 年由d u p o n t ( 杜邦) 公司的化学工程师b o n ip h i l i p m a r t i n e z 研制开发的，这种纤维就以他的名字命名并由k a p e j o 公司拥有该项 专利。b o n i f b e r s o 已在美国多个州进行了使用，超过一万个工程。德国在1 9 6 8 年首先提出并采用了纤维素短纤维增强改性的方法，使用结果表明纤维可以显 著地提高沥青路面的稳定性和强度，大大地延长了沥青路面的使用寿命，取得 了明显的经济和社会效益。d o l a n i s a s ( 德兰尼特) 是由英国科特尔兹公司 ( f a s e r w e r k k e l h e l mg m b h ) 在德国郝斯特的工厂与一家大型道路公司合作开发 的，专门用于沥青混合料的腈纶纤维( a c r y l i cf i b e r s ) ，己在德国、法国、西 班牙、匈牙利，香港等地使用。f o r t a 雪a r ( 福塔纤维) 是美国f o r t a 公司研制 开发的由聚丙烯和芳纶纤维混合形成的纤维物，福塔沥青增强纤维( f o r t a 。a r ) 是工程用纤维的一个系列，可以为热拌沥青提供一种三维增强网络，其在工程 4 山东大学硕士学位论文 中的应用实例有马萨诸塞州收费公路以及美国格罗夫市工业园区的铺面等。 目前，纤维在美国、加拿大、澳大利亚、德国、比利时和奥地利等国的许 多工程中得到广泛应用，在这些国家已经采用纤维加强沥青混凝土修筑了大量 高速公路、机场及其他大交通量的等级公路。纤维的广泛使用也极大地促进了 一些著名的大型纤维生产公司的产生和纤维专利产品的形成，同时，国外还研 究开发了多种纤维添加设备。可见，随着纤维沥青混凝土工作机理研究的深入 和纤维生产技术的提高，国外纤维沥青混凝土已经进入到广泛应用的阶段。 1 - 3 2 国内研究现状i s - t $ 1 我国对纤维沥青混合料的研究较晚，到二十世纪九十年代随着s m a 混合料 的引入和纤维添加剂的出现，才慢慢引起了人们对纤维沥青产品的关注。1 9 9 2 年，同济大学的李立寒转译了路用聚脂纤维沥青混合料( r a p t ，1 9 8 9 ，y 0 1 5 8 ) 一文，该文通过马歇尔混合料设计，对比了掺与未掺纤维混合料的最佳沥青用 量，并用间接拉伸试验比较聚脂纤维的抗拉性能和水敏感性，分析了纤维的长 度、细度和掺量对沥青混合料性能的影响。1 9 9 3 年，石秀坤介绍了国外的玻璃 纤维加强沥青路面。辽宁省交通高等专科学校的姚丽于1 9 9 6 年在沥青混凝土 路面中加入纵横向的纤维绳，讨论了纤维绳对路面抗裂的作用。1 9 9 7 年河南省 交通厅的张晓冰讨论了玻璃纤维格栅在沥青罩面中的应用情况，同时南京玻璃 纤维研究设计院的张寅、张晓云、王冬梅等也对玻璃纤维加强沥青和玻璃土工 格栅在沥青路面中的应用作了全面讨论。1 9 9 8 年，同济大学的吕伟民对纤维在 s m a 中作用机理进行了分析与试验研究；随着s m a 研究的深入，吉林省公路局 的胡时明、交通部公路所的吴启宏、同济大学的黄彭等先后讨论了纤维素纤维 ( 或木质素纤维) 对多孔隙沥青混凝土或多碎石沥青混合料使用性能的贡献； 同时，孙学高在沥青混合料中掺加钢纤维制成了钢纤维沥青混合料公路面板， 并申请了专利。2 0 0 1 年，长安大学的张争奇用a c 密级配掺加各种纤维和各剂 量对纤维沥青混合料的性能做了大量试验研究。2 0 0 3 年，刘爱采用纤维掺量为 0 3 的聚酯纤维，矿料级配为a c l 6 1 ，研究了纤维增强沥青混凝土的性能【1 4 】。 在对纤维沥青混凝土理论研究的同时，纤维在全国各省区的高等级公路建 设中得到了应用。不过，应用的纤维主要是国外品牌，如b o n i f b e r s 和 5 山东大学硕士学位论文 d o l a n i t 西a s 等。使用b o n i f b e r s 由的工程主要有江苏南京长江二桥、四川1 0 8 国道、河北省石黄高速公路，以及辽宁新民省道改造、吉林1 0 2 省道改造、黑 龙江省道改造、甘肃武威3 1 2 国道改造、上海市政和山东国道改造等旧路改造 项目，其使用效果良好。使用d o l a n i t o a s 的项目主要有广深高速黄岗段、沪 杭高速公路、上海市中外环线一期工程等。值得一提得是，国内一些省份也研 究开发了自己的纤维产品或添加设备，比如吉林省公路局宝恒科技发展有限公 司，研制了松散的木质素纤维，通过了有关鉴定，已在吉林和山东省的一些工 程中应用：浙江省宁波大成新材料股份有限公司在2 0 0 2 年开发的高性能沥青 混合料加强纤维- d c p e t 路用聚酯纤维，通过了有关鉴定，也已在杭州市政等 工程中使用。 1 3 3 已有的主要研究成果 1 纤维的品种分析伫3 7 1 1 l 纤维是一种细长而柔韧的均匀线状或丝状物质，具有相当的长度( 约直径 的1 0 0 倍以上) 、强度和弹性，通常分为天然纤维和化学合成纤维两类。前 者是用天然高聚物( 如棉、麻、羊毛、蚕丝及矿物等) 经化学处理和机械加工 而制得的，如纤维素纤维，蛋自质纤维，甲壳质纤维基石棉等。后者是以合成 高聚物( 树脂) 为原料经化工处理后得到的。目前在道路沥青混合料中使用的 主要有钢纤维、玻璃纤维、聚合物纤维、矿物石棉纤维和木质素纤维等。 钢纤维是由金属经过拉、拔、轧、切工艺制作而成的，具有高强度、高弯 曲弹性和耐高温等特点，它能改善沥青混凝土的热稳定性和低温抗裂性，对沥 青路面的裂缝、松散有良好的抑制作用。但是由于钢纤维与沥青结合料的粘附 性较差，握裹力较低，从而造成与沥青混合料的“相容性”较差，再加上钢纤 维与水作用的锈蚀，其水稳性及抗剥落性相对有所下降。另外，由于金属的磨 损系数小于混凝土，使得钢纤维混凝土路面产生后期效应“凸失现象”，对轮 胎有较大的磨损。因此，钢纤维在沥青混凝土路面中的应用受到很大限制。 玻璃是由若干种金属和非金属的氧化物构成，对玻璃性能影响较大的有 s i 如、n a 2 0 、l i 2 0 、k 2 0 、c a o 、m g o 、b ：吼、a 1 ：0 3 、f e ：0 3 、p , o 、b e o 、t i 如、z r 晚等 多种氧化物。将以上氧化物进行不同组合，可得到目前国际流行的不同类型的 6 山东大学硕士学位论文 玻璃纤维：e 玻璃( 无碱玻璃) 、c - 玻璃( 中碱玻璃) 、高强玻璃纤维、a r - 玻璃 纤维( 耐碱玻璃纤维) 、a - 玻璃( 高碱玻璃) 、e - c r 玻璃( 无硼无碱玻璃) 和d _ ； 玻璃( 低介电玻璃纤维) 等。玻璃纤维曾在国内外的水泥混凝土和塑料中广泛； 使用，如制成的玻璃钢与玻璃纤维水泥混凝土等均是玻璃纤维产品。玻璃纤维 在沥青中若直径较粗，因刚度过大，脆性增强，在交叉作用下易折断，耐久性 差；过细虽然柔性增大，但受热后，易结团，不易分散。而且目前暂无专供沥 青路用的玻璃纤维产品，因此玻璃纤维在沥青混凝土中的应用也较少。 据统计，现有合成纤维达数十种之多。聚合物纤维按其化学成分的不同可 分为聚酯纤维( p e t ) 、聚丙烯腈纶纤维( p a n ) 、聚丙烯纤维( p p ) 、芳族聚酰胺 纤维( p p t a ) 等，其中聚丙烯纤维( p p ) 、芳族聚酰胺纤维( p p t a ) 为长纤维。 聚丙烯腈纶是指由聚丙烯腈或丙烯腈含量占8 5 以上的线型聚合物所制 成的纤维，我国常将它称为腈纶。2 0 世纪3 0 年代初，德国h o e c h s t 化学公司 和美国e up o n t 公司就己着手聚丙烯腈纤维的生产试验，并于1 9 5 0 年正式投 ， 产。它是将丙烯腈与共聚单体( 丙烯酸甲脂、亚甲基丁二酸) 进行聚合，生成 聚丙烯腈树脂，经溶剂( 硫氰酸钠、二甲基丙矾、二甲基甲酰胺、硝酸、氯化 锌等) 溶解，形成粘度适宜的纺丝液，用湿法或干喷湿法进行纺丝，经凝固浴 成型，水洗、牵伸、热定型、上油、卷绕等工序获得的。如果将聚丙烯腈纤维 再加工处理尚可得到聚丙烯腈基碳纤维。聚丙烯腈为白色粉末状物质，表观密 度为2 0 0 9 l 5 0 0 9 1 ，密度为1 1 4 9 c m 3 1 1 5 9 c m 3 ，加热到2 2 0 c 2 3 0 c 时软化，并同时发生分解，具有良好的耐光性能，不易发生降解。作为纤维的 聚丙烯腈，其分子量更大，一般大于1 0 0 0 0 ，因而要求其分散性小，低分子组 分含量少，这样纤维性能才越强其耐热性能较好，一般在1 7 0 1 8 0 时 颜色不会发生改变，若聚合物中含有杂质，会加速热分解和颜色的变化。作为 道路用的聚丙烯腈纤维其加工工艺有所差异。更注意道路交通特点和自身稳定 性，注重纤维对路用性能的改善，d o l a n i t o a s 德兰尼特就是这种沥青专用纤维。 聚酯纤维是大分子链中各链节通过脂基相连的成纤高聚物纤维( 英文简写 为p e t ) ，一般为乳白色并带有丝光，表面光滑，横截面近于圆形，密度大约在 1 3 8 9 c m 3 1 4 0 9 c m 3 ，具有低的回潮率( 约为0 4 ，比腈纶的1 2 和锦 纶的4 要低) ，其耐热性能较好，软化点为2 3 0 2 4 0 ，熔点为2 5 5 7 山东大学硕士学位论文 2 6 5 ，在火中能燃烧，会发生卷曲，并熔成珠，有黑烟及芳香味。因低的吸湿 返潮性，其导电性较差。聚醋纤维除耐碱性能较差外，具有良好的化学稳定性、 耐酸和耐微生物性能，以及较强的不受一般非极性溶剂侵蚀的能力。强度高， 延伸度适中，模量高，回弹性好。目前市场上沥青路用的聚醋纤维产品主要有 b o n i f i b e r s o 和g o o d r o a d l l 。 这中纤维是由聚丙烯和芳纶纤维混合形成的纤维，纤维品牌主要有福塔纤 维( f o r t a 雪a r ) 等。福塔沥青增强纤维( f o r t a 雪a r ) 融合了绞合原纤维质聚丙烯 纤维和芳纶纤维，搭配比例为聚丙烯纤维7 5 ，芳纶纤维2 5 ，以上两种纤维 被设计用来改善热拌沥青路面的表现性能。福塔沥青增强纤维( f o r t a 雪a r ) 在 美国福塔( f o r t a ) 股份有限公司的广泛研究和大力研发下得以开发成功。美国 福塔( f o r t a ) 股份有限公司也是于1 9 7 8 年引进第一种波特兰水泥混凝土增强 用合成纤维( f o r t a 。c r ) 的同一家公司。 一木质素纤维属植物纤维，是天然木材在加工成纸浆和纤维浆时，通过一系 列的物化处理，最终将一部分剩余纤维素经洗涤、过滤、喷雾、干燥等工艺过 程而得到的一种浅绿色或灰色的形如棉絮的有机纤维。因其加工处理温度高达 2 5 0 ，在通常情况下，具有良好的温度和化学稳定性，不为一般溶剂所溶解， 耐酸碱腐蚀性好，对人体和环境无不良影响。德国j r s 公司生产的a r b 0 c e l 纤 维是一种松散状的天然木质素纤维，呈灰色，分子式为( c 6 i 。0 5 ) n ，其中n 达 5 0 0 1 0 0 0 。由于松散的絮状纤维在长期储存中易吸潮结块，对搅拌不利，同时 体积很大，包装运输不便，因而j r s 公司又开发了颗粒状木质素纤维，如 v l a t o p 6 6 和v i t o p 8 0 。前者是以木质素和沥青按2 ：l 的质量比拌制而成，而 后者是以4 ：i 的比例拌制而成的颗粒状产品。但据比较试验，松散纤维比颗粒 纤维更易拌和均匀，吸油能力更强，而颗粒状纤维添加更方便，便于机械化施 工。在美国也有自己的木质素产品，如美国密歇根州的k a l a m a z o o 附近的 p o r t a g e 有一i n t e r f i b e r t m 公司专门生产木质素纤维r o a d - c e l 并为纤维的加 入研制了纤维添加设备，在美国已广泛使用。中国的吉林省公路局的宝恒科技 发展有限责任公司研制了松散的木质素纤维，并得到推广使用，效果较好。 最早使用的矿物纤维主要是石棉纤维。石棉是一类天然水合金属硅酸盐岩 石的总称，外观呈平行的或交错的细纤维状，可剥离成极细的纤维，具有耐火、 8 山东大学硕士学位论文 耐热、耐酸碱抗腐蚀性、绝缘等特性。石棉的矿物成分中，一种为温石棉 ( 3 m g o 2 s i q 2 h 2 0 ) ，色白具有光泽，占石棉用量的9 5 以上，其纤维长度可t 达i c m 2 0 c m ，质地柔韧，有丝绸光泽，可分裂成0 0 0 5 m m 直径的细丝，其分： 裂性、柔韧性和强度随结晶水和吸附水的减少而降低。温石棉纤维对热的敏感 性较强，受热至7 0 0 1 2 时吸附水开始散失，强度和模量逐渐降低。一般温石棉 的抗拉强度为3 0 m p a - 4 0 m p a ，抗揉折性较差。其吸附性和吸水性较强，常以憎 水剂提高其质量。另一类石棉谓之为闪石，包含有几种石棉，主要是青石棉 ( 3 n a ：o 6 f e o 2 f e ：0 3 1 6 s i 仉h 2 0 ) ，又叫蓝色石棉，有丝绢光泽，纤维长达2 0 c m ， 直径较温石棉稍粗，有优良的耐热性，绝缘性，特别对酸、长化学溶液和海水 有良好的耐蚀性。石棉纤维的最大优点是成本极低廉，资源丰富，使用方便， 但可能引起硅肺、支气管癌和问皮癌等疾病，在国际上许多国家现已禁用。 另一类沥青路面专用的矿物纤维为玄武岩矿物纤维，通过高温熔融提炼、 编纺、抽丝处理而成。通常认为玄武岩矿物纤维与集料属于同一种材料，耐老 化，特别有利于沥青混合料的再生利用。 2 纤维增强沥青混凝土机理研究1 1 5 1 6 】 一 纤维对材料的增强作用主要有以下四种理论： ( 1 ) 结构层次理论 一般对材料的研究可从微观层次( m i c r o s c a l e ) 、细观层次( m i n i s c a l e ) 和宏观层次( m a c r o s c a l e ) 进行分析。宏观层次认为，由于材料的差异性，较 难用材料尺寸的数量级对各层次进行数量界定或描述，但在某一层次上的不均 匀性完全可以在比它高一个层次上被忽略，即认为材料连续均匀的材料。细观 层次则认为：材料中具有一定的结构和不均匀性，可通过电镜观察到一个画面 或用其他方法确定一个典型的细观单元，这一单元可通过力学模型对所有组成 整体的各单元的性质作统计分析后得到，或通过力学试验直接测量得到。如果 一个细观单元具备有下列性质：细观单元总的几何特性，如增强体的体分比、 增强体分布的概率统计值( 一次矩阵、二次矩阵) 都为常数，且与细观单元的 位置无关的话，则称这样的细观单元为一个代表体元。通过代表体元的均匀边 界条件所形成的统计均匀场的分析，得到代表体元的平均应力和应变特性，由 于代表体元的普遍性，故可由此推求得复合材料的宏观应变和应力。而微观层 9 山东大学硕士学位论文 次认为材料既不连续，也不均匀，具有明显的粒子性，要从结构的原子或分子， 乃至更小的层次进行研究。宏观层次无法揭示材料的组成与结构性能的关系， 微观层次因要分析粒子组成与微观结构，比较复杂且较难实现，因而从细观角 度分析似乎更有前途，是研究材料性能的一个很有前景的方向。 ( 2 ) 复合材料理论 复合材料理论认为纤维增强材料是一种多相体系，纤维与所增强的各种材 料均为一相，其性能就取决于各相的相互作用行为和各相的体积率以及各相的 几何特征( 主要指其界面特性) 与各相自身特性。其多相复合材料可由不同的 相相复合得到。用复合材料观点可便于采用各复合材料模型来分析研究材料的 组成、结构与其性能之间的关系；也可以直接使用复合材料的混合率规律或其 修正式对材料性能进行预测，但其多相复合体性能组合如何，同其复合模型关 系密切，因而此观点除了要进行相内研究、相问研究外，尚应进行模型拟合性 研究，工作量较大。为此，一般可结合该观点对其性能进行定性预测，然后利 用其他理论进行定量评价。 ( 3 ) 断裂力学观点 断裂力学认为任何材料都存在宏观缺陷( 如缺口、孔洞、裂纹等) 和结构 缺陷( 如位错、晶界、相界等) ，那么材料在外力作用下产生破坏的过程就是 材料裂缝的快速扩展并最终断裂的过程。而纤维增强复合材料的断裂可能会通 过塑性形变、裂纹增长与分叉、界面分离、出现分层或纤维拔出与拉断等方式 进行，这是一个能量耗散的过程，纤维在复合材料内是通过间隔阻裂作用使材 料得以增强的。 ( 4 ) 界面理论 从细观层次和界面化学观点看，纤维增强材料中各相材料是通过各相间的 界面结合( 固一固界面、固一液界面等) 而成为整体的。界面结合作用的强弱与 各相形成的界面自由能的大小关系密切，直接影响了纤维增强材料的性能。 上述四种理论，常用在对纤维增强材料的性能及作用机理的分析中，然而， 纤维沥青混凝土与塑料基、陶瓷基、水泥混凝土基、金属基等的纤维增强复合 材料相比有很大的差异，在运用这四种理论分析纤维在沥青混凝土中的作用机 理时还应注意其自身的特点。纤维沥青混凝士的特点有：1 沥青的温度敏感性 l o 山东大学硕士学位论文 明显，使得沥青与纤维界面产生的粘结强度同纤维自身强度比是一个变化值， 因而纤维在沥青混凝土中不同温度阶段的作用机理也不一样；2 纤维在沥青混i 凝土中会产生分布的位置不均匀性和方向不均匀性，这种局部的不均匀往往对； 宏观性能产生很大影响，使其复合增强质量明显降低；3 纤维沥青混凝土的破 坏，主要是在大颗粒表面产生剪切而产生位错与流动、纤维与沥青界面破坏引 起纤维脱落拔出、少数大颗粒在剪压综合应力作用下的破碎而产生的。因此， 在分析纤维沥青混凝土的作用机理时，需要注意以下问题。建立在断裂力学基 础上的纤维间隔阻裂理论，认为结构的裂缝的产生和发展过程中，纤维有明显 的约束作用，主要强调纤维的阻裂作用和纤维的弹性断裂力学性能，它与纤维 的间距有关。然而，纤维沥青混凝土因沥青的粘弹塑性和矿料的颗粒特征，并 不具备明显的弹性特征，除非在低温状态下而复合材料混合律理论认为其抗 裂强度主要取决于纤维的体积率、长径比和纤维的粘结强度等，而纤维表面自鸲 界面强度是影响纤维增强作用的主要因素。实际上纤维沥青混凝土的宏观强庄眵 仍主要由传统沥青混凝土承受，纤维只起部分提高作用，根据实验结果，提高 的幅度在2 0 9 6 以内，若纤维分散性较差或纤维质量不好，反而会使其强度有所 下降。 在上述理论的指导下，通过大量研究，发现纤维对沥青凝土的增强机理主 要为以下四个方面： ( 1 ) 桥接阻裂作用 当混凝土在外力作用下产生裂缝时，均匀分散的纤维在裂尖处起到了桥接 作用，从而有效阻止了裂纹的产生和发展。同时在外力作用下颗粒性材料间会 产生位错与滑移，大的滑移受阻后，使纤维可将单轴应力转移到其他基体上， 从而使应力分布扩散更均匀。纤维在沥青中由于相互搭接，对混凝土形成网络 缠绕约束作用，从而有效克服了颗粒间的相对滑移和裂缝的产生。 ( 2 ) 界面增强效应 纤维材料由于其大的比表面积，使得沥青中的油分被吸附，相当于沥青质 相对增多，从而使沥青的粘度增大，粘附力更强。同时，沥青与纤维问产生的 物理和化学吸附、扩散与键合作用下，使得结构沥青膜厚度增大，据分析，沥 青膜比传统混凝土的厚6 5 1 1 3 。这样使得纤维沥青相与矿料相之间的界面 山东大学硕士学位论文 效应增强，从而有效降低了结构的破坏危险。纤维加入后，纤维沥青的抗剪切 强度增大，界面作用增强。 ( 3 ) 纤维的稳定作用 沥青混凝土抗高温变形能力差，同沥青粘结强度下降迅速有很大关系，而 传统混凝土高温下沥青会在结构内产生流动与集中，更进一步加大了其高温变 形。而纤维加入后，可明显阻止沥青的流动。纤维对沥青的可持能力很强，一 般要在1 3 0 c 以上的高温下，多余沥青才会在纤维表面产生滴落。正由于纤维 对沥青的稳定作用，在高温下沥青混凝土的塑性流动降低，从而提高了高温稳 定性 ( 4 ) 纤维的增韧阻裂性能 纤维的模量值和延伸变形能力很强，尽管传统混凝土中若沥青粘度过大， 在低温下会产生脆断现象，但纤维具有强的延伸性和有效的应力分布以及阻裂 功能，使得低温下仍能保持很强的增韧效果，当路面产生裂缝时而不致于松散 破碎。 从纤维的增强机理中可以看出，由于不同品种纤维的材料、纤化类型、长 度和直径的不同，纤维在沥青混凝土中的主要作用也不同。工程中应用广泛的 聚合物纤维和木质素纤维在沥青混凝土中的主要增强作用也不同。聚合物纤维 由于纤维强度高、长度大、分布均匀等特点在沥青混凝土中主要起到桥接阻裂 和界面增强作用；而木质素纤维由于吸附沥青能力强而主要起到稳定沥青和界 面增强作用。 纤维沥青混凝土( f i b e ra s p h a l tc o n c r e t e ，简称f a c ) 主要利用纤维的 桥接加筋作用，对沥青混合料予以加强，而s m a 主要利用纤维对沥青的稳定作 用。这是纤维沥青混凝土与s m a 的本质区别【m 。