（道路与铁道工程专业论文）纤维沥青混合料路用性能研究.pdf

摘要 在我强嚣部焚篷嚣蠢冀瑟劣戆叁然舔凌，溺青路嚣在镬焉麓肉破坏显得戈 为突出。丽路用纤维作为沥青混凝土的添加材料，最近几年在我阑的高等级沥青 鼹蟊得舅广泛的藏甩。 本论文对纤维沥青混合料的路用性能研究，蓠先，纤维与纤维沥青胶浆技术 梭能分析与试验研究，主要包括：纤维的设湿性能，耐热性能及纤维沥青纤维胶 浆的毫低滠性能。其次，纤维沥青混合辩合理粉演毖懿磺定进雩亍鹾究，遴过路震 性能的分析，确定出最佳的粉油比。最后，对不同纤维种类混合料路用性能进行 分辑，燕游较努的纾维耱类。 关键词：纤维沥青混合籽纾维沥青纤维胶浆粉油比路用襁能 a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n ta l 、v a y sb e 出u n a g e di ni t su s e dl i f e ，e s p e c i a l l y ，i nw e s t e mo f o u rc o u n t r yb e c a u s em ef o h i l i d a b i en a t u r a lc o n d i t i o n s f i b e rw a sw i d e l yu s e di n h 蟾h r a l l k i n ga sa d d i t i o n a lm a t e r i a lo f b i t u m i n o u sc o n c r e t ei i lr e c e n ty e a r s i n 血i sp a p e r ，p a v e m e n tp e r f b n n a n c eo ff i b e r _ r 9 i n f o r c e d a s p h a l tm i x t u r ei s s t u d i e d f i r s t ，t 1 1 en a t u r eo ff l b e ra 1 1 df i b e r _ r e i n f o r c e da s p h a l tm o r t a ri ss t u d i e d 1 1 1 i s p a ni n c l u d e s m ef o l l o 、v i n gp o i l l t s ：1 1 1 e a b s o r p t i o no fm o i s t u r ea n dr e s i s t h e a t p e r f o n l l a n c e o ff i b e ra n dt i e l i g h a n dl o wt e m p e r a t u r ep m p e r t yt e s t so f 行b e r - r e i n f o r c e da s p h a i tm o n a ls e c o n d l y m er a t i oo fn l l e rb i t u m e no ft 1 1 e f l b e 卜r e i n f o r c e da s p h a l tm o r t a ri sr e s e a r c h e di nt 1 1 i sd i s s e r t a t i o n w 拉c hi so n eo fm e m o s ti m p o n a n tr e s e a r c hf i n d i n g si nt l i st h e s i s t h u s ，t h ed i f f 色r e n tf i b e rt y p ew h i c h c a ni i l l p m v et h ep e r f b n n a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ea r ec o m p a r 甜 k e y w o r d s ：f i b e 卜r e i n f o r c e da s p h a l tm i x t u r e f i b e r - r e i n f o r c e d a s p h a l tm o r t a r r a t i oo f 衄e rb i t u m e np a v e m e n tp e 墒r n l a l l c e 论文独创性声明 本人声明：本人所里交的学位论文是在导师的搬导下，独立进行 研究工终掰溆褥的成渠。除论文中已经注鹱夸| 溺的蠹容卦，对论文的 硬究徽枣重燮贡献黪个大潮集体，均已在文中以鼷确方式标明。本谂 文中不包含任何未黼明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任宙本入蕊褪。 论文作者签名召蠲磙五坤z 年2 月l 豳 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所究成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专剃等投剥。本人藏校螽发表或傻麓学位论文竣与该论文直接楼关的 学术论文或成果时，署名蛰位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解鬻后应遵守此规定) 论文作者签名：雹逮 导簿签名： 沁护年) 秀f 疆 乎多年月f 疆易 吖哆巧 ) 笼焉 1 1 课题的提出与意义 第一章绪论 随着我国公路交通事业的飞速发展和西部大开发战略决策的实施，西部地区 的交通建设迎来了飞速发展的历史性机遇。在西部地区公路建设中，沥青路面作 为一种无接缝连续式路面，由于其自身的诸多优点如力学强度高、稳定性好、行 车平稳舒适、振动小、噪音低、适应面广以及便于维修养护等，一直被广泛使用。 然而，由于交通量和轴载的明显增大以及公路交通车辆渠化作用，尤其在我 国西部黄土地区因其恶劣的自然环境，沥青路面在使用期内破坏显得尤为突出。 该地区的气候特征表现为：西部黄土地区一般自然环境比较恶劣，其气候特征表 现为：全年气温较低，年极端最低气温- 2 0 一3 0 左右，并且昼夜温差大，再 加上西部地区具有较强的紫外线，年降雨量在2 7 0 i 衄一6 0 0 i 砌之间，降雨期极 为集中。这样就造成了西部地区的沥青路面低温开裂以及沥青老化而形成的大量 网裂或龟裂，裂缝的大量存在使雨、雪水下渗引起路基及路面发生沉陷或路面的 早期损害，大大缩短了沥青路面的寿命。沥青混凝土路面受到了严峻的考验，特 - 一1 别是传统的连续级配沥青混凝土路面已不能满足该地区路面的正常使用要求。因 此，如何有效的提高该地区沥青路面高温性及抗裂性能成为一个亟待解决的课 题。 为了解决沥青路面存在的问题，各国公路工作者进行了很多探索和尝试，提 出了一些能够兼顾路面各种技术要求的混合料类型，如沥青玛蹄脂碎石混合料 s m a 、多碎石的沥青混凝土s a c 、美国s h i 心计划提出的s u p e r p a v e 、纤维沥青 混合料等等。而纤维沥青混合料路面因为路面性能优良，施工简单等优点已经被 越来越多得关注和研究。在沥青混凝土中加入纤维，形成纤维增强沥青混凝土。 纤维的“搭桥”、“加筋”作用抑制或减轻了沥青混凝土路面的低温开裂现象，提高 一一 了路面的整体性和强度，抗车辙能力增强。本论文研究纤维沥青混凝土的路用性 能，为纤维沥青混凝土的推广应用提供重要的技术参数。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 | 2 l 国外研究现状 纤维在沥青混合料中最初的使用目的是用于预防路面的反射裂缝。2 0 世纪 8 0 年代初，由于石棉纤维对环境有污染而被禁用，聚合物纤维、木质素纤维、 玻璃纤维得到广泛的应用。1 9 8 5 年，b r o m ，s f 对纤维格栅加强沥青路面的设 计方法和应用进行了系统的阐述。随后纤维和纤维织物在沥青混合料中得到推广 应用，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的综合性改善； 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中如( s m a 路面、 薄层或超薄层的沥青混凝土等) 。目前，在美国和西欧等国家仍在大面积使用和 研究纤维对沥青混合料的加强改性作用。 1 2 _ 2 国内研究现状 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 路面结 构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。目前， 我国已有多所院校和交通科研机构就纤维对沥青混合料的加强改性作用进行研 究，已取得了一些成绩。合肥工大蔡敏等在1 9 9 4 年对掺有尼龙纤维( 1 3 9 ) 的 沥青混合料进行了拉伸试验。结果表明混合料的初裂强度和极限强度平均升高了 6 l 和4 0 ，疲劳强度提高了1 7 6 2 3 4 倍。孙学高1 9 9 8 年在沥青混合料中掺 加钢纤维制成了钢纤维沥青混合料路面板，并申请了专利。同济大学的吕伟民等 对纤维在s m a 、0 g f c 中的影响，纤维沥青玛蹄脂的性能等作了研究。在研究 纤维在沥青路面中应用的同时吉林、河北、山东、甘肃等省还开发了自己的纤维 产品或纤维添加设备，为我国纤维沥青路面建设开创了良好的环境。 1 2 3 存在的问题 l 、在以往的研究中，对纤维沥青混凝土路用性能的研究只停留在表面上与 普通沥青混凝土的对比，而缺乏不同类型纤维的沥青路面性能间的横向比较； 2 、有关纤维沥青胶浆高、低温性能的研究还没有简单、有效的测试手段； 3 、纤维沥青混合料的合理粉油比的确定； 4 ：纤维材料的筛选，及最佳掺加量和矿料级配的选择仅局限于经验判断， 而没有具体的设计理论对其进行界定。并且，不同因素对纤维沥青混合料的影响 程度如何还不清楚，需要以大量试验数据为依托，在数学模型上进行分析； 5 、施工工艺研究还不完善，如：如何解决纤维在混合料拌合中常出现的成 球现象；材料、施工配合比等对施工的影响程度等。 1 3 本论文研究内容 由于纤维沥青路面在我国使用时间不长，在我国西部地区推广使用中存在许 多亟待解决的问题。为了完善纤维沥青路面的研究，本文通过室内试验和试验路 修筑与测试，对纤维沥青路面进行了全面系统的分析，本论文研究内容主要包括 以下几部分： 1 、纤维及纤维沥青技术性能的研究： 2 、不同纤维沥青胶浆的高低温性能分析试验； 3 、室内不同粉油比的纤维沥青混合料路用性能试验： 4 、不同纤维沥青混合料路用性能比较； 5 、纤维沥青混凝土试验路研究。 第二章试验方案与试验研究方法 2 1 试验方案设计 本论文沥青使用，采用k l m y - 9 0 # 沥青。6 种纤维，其中包括木质素纤维 ( 松散状) 、矿物纤维、t f 聚酯纤维、聚丙烯酸( 德兰尼特) 、金属晶须改性纤 维、纳米改性纤维。矿料采用花岗岩碎石、石屑、砂子和矿粉。 本论文研究主要进行了以下试验： ( 1 ) 原材料性质分析试验 沥青技术指标试验。 矿料技术指标试验。 纤维技术性能检测。 a 纤维吸湿试验。 b 纤维的耐热性试验。 ( 2 ) 纤维沥青性能分析试验 网篮析出试验。 ( 3 ) 纤维沥青胶浆高低温性能分析试验 纤维沥青胶浆的高温锥入度试验。 纤维沥青胶浆的低温( 5 ，5 s 、2 0 s ) 小梁蠕变试验。 ( 4 ) 纤维沥青混合料试验 马歇尔试验。 车辙试验。 1 0 低温弯曲试验。 水稳定性试验。 渗水试验。 表面构造深度试验。 2 2 试验研究方法 2 2 1 原材料性质分析试验 ( 1 ) 本课题采用k l m y _ 9 0 撑沥青，其技术指标如表2 1 所示。 表2 1 涯毒技术指标 老化前老化后 灏昔 针入度1 5 针入度2 5 针入度3 0 较纯点1 5 鬣度 密度锌入度2 5 1 5 延度 ( o 1 m m )( o 1 m m )( 0 1 m m ) ( )( c m )( g ，c m 4 ) ( 0 1 m m ) ( c m ) k ia 重y 9 0 群3 1 0 39 4 31 5 04 7 3 1 5 0o 9 8 06 7 1 7 9 2 ( 2 ) 矿料花岗岩碎石、石屑、砂予、和矿粉，其密度如表2 2 所示。 表2 2 集辑密度及瑷水辜 集料舰( c m ) 1 6 1 3 9 54 7 52 3 61 1 80 6 砂子o t 3 砂子o ，1 5 0 0 7 5矿粉 表观密度( g ，c m 3 ) 2 6 3 7 2 6 5 92 6 5 52 ，6 5 52 6 52 6 3 92 6 3 62 6 4 32 6 9 l2 6 8 9 表于密度游m 3 ) 2 。5 9 8 2 6 1 32 。6 0 2 ，5 辩 2 6 l 毛体积密度 2 ，5 7 52 + 5 8 52 5 6 9 2 ，5 5 6 ( g ，c 掰3 ) 吸水率( 9 钟 o 9 1 1 0 8 1 2 51 4 6 ( 3 ) 纤维性能检测有以下试验： 纾维吸湿试验 纤维受潮后，会影响沥青与矿料之问的粘结强度，通过测试纤维吸湿后质量 载交艺大，l 、采反映绥缓鳇吸澎跨洼。 试验方法：取6 种纤维备三份，放入烧杯中，用感量为o 1 9 的天平准确称 量纤维和烧杯的质量，后将纤维及烧杯溺放在相对空气温度为9 1 ，温度为 2 1 7 的养生室中养擞1 0 d ，定时测爨样品的质量。 纤维耐热性试验 纤维加入热拌沥毒混合料中，其耐热性怒关键，终维应满足在l8 0 2 的高溆条件下不发生物理和化学变化。 试验方法：由于于拌和瀑搀露溷较短，与沥青老弦黠舞掇当，爨嚣试验采取 在1 6 3 、5 h 旋转薄膜烘箱的试验条件下，观察纤维的颜色、形态的变化情况。 2 2 2 终维淄青经麓分析试验 ( 1 ) 网篮析出试验 通过对沥青与4 稀纤维在室内进行的网簸折漏试验，来比较各种纤维的可持 沥青熊力。 试验方法：取6 种纤维各1 0 9 ，放入1 g 沥青中，在1 5 0 左右下拌合均匀， 分别取4 0 9 纤维沥青混合料两份，冷却后放到孔径为( p o 2 5 m m 的网篮中，在1 3 0 条传下恒激l h 后测试沥豢从鼹篮巾滴落爨的多少。 2 2 3 纤维沥青胶浆高低温性能分析试验 沥专黢浆在溺海混合瓣孛起篱重要终蘑，合鹫静糖酒愆可敬掇商沥誊潞覆静 路用性能。 ( i ) 纾维沥裔胶浆静赢溢毪熊试验 试验方法：参照钡4 定土壤剪切强度的试验方法，通过对无纤维，木质索纤维， 矿物纤维，聚酯纤维( 博斌维) ， 聚酯纤维在粉油比分别为o 4 ，o 6 ，o 8 ，1 2 ， 1 6 ，2 o 情况下采用自制镶针进行4 5 锥入度试验，分板并磅究不同羚酒比下沥 青胶浆的高温稳定性。 ( 2 ) 纾维沥费获浆豹低湛蛙麓试验 试验方法：根据低温蠕变原理对上述6 种粉油比和5 种加纤维情况制作小梁， 著对，l 、粱遴行5 s 及2 0 s 热躐，测定试律在旖载律弼下酌弯馥交形麓力，戳分祈 并研究不同粉油比下沥青胶浆的低温抗裂性能。 一 一 2 2 4 纤缀沥青瀵禽料试骏 ( 1 ) 舄歇尔试验 试件制备的方法 对于添趣了终维的沥黉混合瓣，囊豢瓣款涅会瓣熬割餐方法鸯些不嗣，主要 注意以下几个方面： a 。滢念餐弱捧秘与莲实温凄 按公路工程沥青及沥青混合料试验规程j t j 0 5 2 2 0 0 0 中规定，沥青混合 料驭沥青的运动秸擘( 1 7 戤2 0 ) 珊哆时的温度作为拌和温度，( 2 8 0 士3 0 ) 堋哆 眩瓣湿度必压实漫发，瑟稳当于接粒遗疫残1 3 0 1 6 0 ，压实瀵度在1 2 0 1 5 0 ：而掺加纤维后，沥青拌和温度应比一般基质沥青的高。而粗细集料和矿 粉熬溢度还应该魄沥青豹箨帮温度离1 5 浚上，又不宣太高，综念分析瑟，对 纤维沥青混合料拌和温度可取1 6 0 ，矿料的预热温度为1 8 0 ，压荬溆度为 1 5 0 左右。 b 混食料拌和顺序与拌和时间 纤维沥青混合料的拌和分为干拌和湿拌两种。前者首先将纤维间矿料起拌 6 会约6 0 s 至大体均匀螽，霉加入沥青搀潮9 趣，疆基热入矿龄起搀秘6 趣，总 拌和时间约3 5 m i i i 。这一拌和时间是根据拌和过程中纤维与矿料的分散情况而定 豹。一般孬言。增燕拌帮辩闻，有穰予纾维静分激均匀瞧，毽遗长会弓| 熬沥青帮 纤维性能的改变，最好不要超过4 m 协。湿拌法是预先将纤维与沥青按规定的用 羹沈进行拌积，樗至g 纤维沥青胶体，然籍按常蕊沥青混合料拌和方法进行择和。 假在现场用湿法施工比较麻烦，还要增加纤维沥青拌和设备；面鼠湿法可能会出 现离析现象，导致纤维分布不均，本课题室内试验采用干法拌和。 o 。试 孛蛉成型 采用自动马歇尔击实仪制作沥青混合料试件，以供实验室进行混合料物理力 学毪矮试验楚爰。 ( 2 ) 车辙试验 自予马歌尔稳定度和流筐与鼹面长麓使用毪憩相关榷不大，对于控蒂l 车辙更 越相距甚远，不能全面评价混合料在高温条件下受频繁车轮荷载作用下的变形特 性，因此采用车辙试验作为评价高温稳定性的重要方法。目前许多国家已把车辙 试验作为沥青混合料组成设计的一项评价指标。 车辙试验采用国产自动车辙试验仪，温度控制和其他条件均能满足公路工 稷沥青及沥青混合辩鬣验娆程( j 露0 5 2 2 0 0 0 ) 静试验要求。 试件制备 按马欷尔法确定了最佳沥青弼量螽按马歇尔试俘标壤击实密度的l 圭l ， 用轮碾仪制成3 0 0 m m 3 0 0 m m x 5 0 “l n l 板，戚型时混合料碾压温度为1 2 0 1 4 0 ， 碾压次数控制到溉合料与试模齐平为止，车辙板嗣试模一起在室内静止1 2 h 后脱 模，方可进行车辙试验。 试验荷重 试验棼重为7 8 酶左右，试验竣与试 孛接齄鼹强在6 0 瓣为o 。7 m p a 士o 0 5 m p a 。 试验温度及试侔绦滚对蔺 试验温度采用6 0 ( 试件内部温度6 0 士o 5 ) ，测试前试件放入保温箱 ( 6 0 主o 5 ) 保温5 h 以上，毽不超过2 4 h 。 试验轮行走距离及行走速度 试验轮行走距离为2 3 c i n 士l c m ，行走速度4 2 土1 次，m i n ，行走方向与试件成型 时碾压方向一致。 ( 3 低温弯熬试验 沥青混合料低温拉伸性能反映抗温缩裂缝扩展的能力。本论文按照沥青混合 辩弯蓥试验筑程遴行，将轮辍成型盼滚律韬割减3 妇强3 5 释强2 5 0 h 强翁，j 、梁， 跨径为2 0 0 m m ，试验温度为1 0 ，加载速度为5 0 m m m i n ，采用m t s 试验机进行 试验。 试验步骤如下： 试验准备：按马歇尔法确定的最佳沥青用嚣成型3 0 0 m m 3 0 0 m m 5 0 m m 的援，切戏3 0 m m 3 5 m m 2 5 0 m 撒熬棱柱嚣小梁套鼷，一缀试验鼷夺粱嚣凝，在 环境保温箱中对试件进行保温至少6 h 。 试验：麸毽潺箱中敬密试俘，立瑟对称安放在支痤上，试彳串上下方淘与斌 件成型时的方向一致，对位移测定装置和荷载传感器进行爨程和调零处理，开动 垂力祝逶行串点自h 载，葡游启动诗箨梳采集溺试数据。 根据采集到的不同荷载p i 羽d i 值，可绘出荷载与变形的曲线，如图2 - l 所示 挠度d 图2 1 蔚载一跨巾挠度鲢线 将图中荷载挠度曲线的直线段延长与横坐标相交作为曲线的原点，进行跨 中挠疫穆歪，褥至g 试件破棼辩酶跨审硗度d ( r m m ) 。密最大破坏萄载岛帮鼗大破 坏赞载对应的挠度娃 9 1 0 织物数( 据) 8 7 0 0 0 0 最大拉伸率 8 1 2 截面形状花生果状初始模量( 口a ) 1 7 1 0 0 ( 3 ) 聚酯纤维 聚酯纤维是大分子链中各链节通过酯基相连的成纤高聚物纤维，一般为乳白 色并带有丝光，表面光滑，横截面近于圆形，具有低的回潮率，其耐热性好，在 火中燃烧会发生卷曲，并熔成珠，有黑烟及芳香味。聚酯纤维除耐碱性较差外， 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。 本文选用甘肃耐特龙工程科技有限公司生产的t f 聚酯纤维其技术指标如表 3 3 所示。 表3 3 甘肃耐特t f 聚酯纤维技术指标 技术指标 ，一 测试值 强度( m p ) 6 0 0 延伸率( ) 3 0 士6 耐温性( ) 2 6 0 表面特征有粗糙度处理 直径( 岬) 2 0 士5 颜色白色 分散性均匀 ( 4 ) 矿物纤维 最早使用的矿物纤维主要是石棉纤维，其优点是成本极低廉，资源丰富，使 用方便，但由于它可能会引起硅肺，支气管癌和间皮癌等疾病，在国际上大多国 家已禁用。现在用的较多的是非石棉的矿物纤维，本课题采用的是甘肃耐特龙工 程科技有限公司生产的改性矿物纤维，它主要由2 0 的改性剂和8 0 的岩棉纤 维组成。其中改性剂成份为硅藻土提纯物，p h 值6 o 一8 0 ，比表面积2 1 0 m 2 儋 岩棉纤维的平均直径为7 8 p m ，p h 值为6 5 8 5 ，比表面积1 0 0 一1 2 0 d m 2 g ，抗拉 强度为1 6 0 m p a 。 ( 5 ) 其他纤维 本子课题采用了甘肃耐特龙工程科技有限公司生产的金属晶须改性纤维和 纳米改性矿物纤维，其技术指标如表3 4 表3 6 所示。 表3 _ 4 矿棉桥联剂主要技术指标 项目单位平均值 纤维直径 u i t l6 1 0 纤维长度 m m5 1 2 p h 值 7 5 8 5 比重 幽m j 2 4 纤维含量 9 0 工作温度 7 5 0 表3 5 金属晶须主要技术指标 项目单位 平均值 直径 u i i ll 晶须尺寸 长 u l5 0 比重舻m 3 2 3 比表面积 m 2 惶 1 2 吸油量 m 垤 5 0 0 含水份 7 5 的要求，这与试验要求空隙率在3 5 范围有 关，小的空隙率使得沥青受水损害的影响较小。 加纤维的马歇尔稳定度比不加纤维的要大，这是因为纤维在混合料中所起 的“三维”相分布的“搭桥”，“加筋”作用而导致混合料的稳定度增夹i ( 6 ) 构造深度如表4 _ 8 ，图4 6 。 表4 8 构造深度 指标 t f 聚酯纤维 无纤维 假定粉油比 o 4o 8 】2 1 3】6 1 8 1 3 此时的粉油比为 | o 7 2 61 1 4 41 _ 3 41 5 8 81 8 6 81 3 8 4 级配级配l级配2 级配3级配0 级配4级配5级配o 构造深度 ，|o s 4 5o 5 8 50 5 6 9o 5 6o 5 6 80 4 9 9 图4 6 构造深度 从试验中可以看出： 路面的构造深度主要取决与混合料的公称最大集料尺寸与沥青胶浆对粗 集料骨架空隙的填充程度。加入纤维后的混合料，表面可以发现分布密密麻麻的 纤维，使得混合料表面粗糙，从而使构造深度加大。 随着粉油比的增加，构造深度曲线呈抛物线，刚开始时由于沥青量相对较 多，在试件成型的过程中液态的胶浆迁移至表面，从而降低构造深度。随着粉油 比的逐渐加大，胶浆充分填充空隙，构造深度达到最大。随后由于沥青量的减少 和矿粉用量的增大，胶浆过分的填充空隙使得路面结构破坏，粗集甥对较少， 它对路面平整度的作用相对减弱，从而使得构造深度减小。 ( 7 ) 渗水试验 由于采用的级配是密级配，空隙率较小，不加纤维和加纤维各种级配的沥青 混合料均基本不渗水。 ( 8 ) 冻融劈裂试验如表4 9 及图4 7 。 表4 9 冻融劈裂试验 指标t f 聚酯纤维无纤维 假定粉油比 0 4o 81 21 3 1 6 1 81 3 此时的粉油比为 o 7 2 61 1 4 41 3 41 5 8 81 8 6 81 _ 3 8 4 级配级配1级配2级配3级配o级配4级配5级配0 r t l ( 噼a ) 、0 7 4 1 0o 7 4 5 6o 8 4 1 6o 7 2 6 00 7 7 7 3o 8 3 7 3 r t 2 ( 伊a ) 、0 - 3 7 2 l0 _ 3 6 1 90 4 3 7 5o 5 2 7 50 4 0 9 90 4 0 2 5 t s r ( ) 、5 0 2 24 8 5 4 5 1 9 87 2 6 65 2 7 34 8 0 7 3 0 图4 7 冻融劈裂试验曲线 由以上图表可以看出： 在冻融的条件下加入纤维的混合料劈裂强度高于不加纤维的，这是因为加 入纤维后，沥青用量加大，使得混合料的颗粒界面粘结强度增大，同时纤维的加 入对混合料有一定的加筋作用，因而纤维沥青混合料的劈裂强度比普通混合料的 高。 经抽真空后，混合料的空隙将充分被水所饱和，在一1 8 下，水结冻后对孔 隙产生冻胀应力，经冻融循环后，混合料的强度均减弱。随着粉油比的加大，用 量逐渐减少的沥青和一定量的纤维在低温条件下的变形可能不协调，有可能使沥 青和纤维产生剥离从而加大了空隙率，进一步削弱其抗冻胀的能力，使t s r 值 增大，当粉油比继续增大时，由于较多的矿粉使得混合料结构出现松散状况，增 加了混合料中的微裂纹，冻胀应力增加使得t s r 值减小。 4 3 小结 合理的粉油比对沥青混合料的影响较大，过大或过小将影响沥青混合料的路 用性能。 ( 1 ) 对同一级配，加纤维混合料的各种路用性能均优于无纤维沥青混合料。 ( 2 ) 增大或减小粒径为0 0 7 5 n u n 和 o 4 且 2 o 之间。 ( 4 ) 根据所选耐特纤维混合料低温稳定性试验，及其它路用性能试验比较， 3 1 羧溜毙在1 3 左右辩纾维沥青混合精豹综合髓覆缝筑较鲟。 第五章纤维种类的变化对混合料路用性能的影响 5 1 原材料的基本性状 ( 1 ) 沥青采用k l m y _ 9 0 # 沥青。 ( 2 ) 纤维选取木质素纤维、t f 聚酯纤维、聚丙烯腈纶纤维( 德兰尼特) 、 矿物纤维、纳米改性矿物纤维，金属晶须改性纤维6 种纤维。纤维用量如表5 1 。 表5 1 纤维用量 纤维名称木质素纤维聚酯纤维矿物纤维 l 用量占混合料的百分比( ) o 30 2o 4 ( 3 ) 考虑到粉油比在1 3 时纤维沥青混合料的路用性能最好，所以级配采 用a c g 一1 6 ，其粉油比为1 3 ，具体如表5 2 。 表5 - 2 通过下列筛7 l 尺寸( m m ) 矿料重量百分率 粒径 1 91 61 3 29 547 52 3 61 1 8060 30 1 5。7 5 i 采用值 1 0 09 58 46 84 83 72 6 ，51 8 51 2 59 56 5 ( 4 ) 矿料采用花岗岩碎石、石屑、砂子、和矿粉， ( 5 ) 为改善酸性花岗岩石料与沥青之间的粘附性，加入沥青用量的3 的 ；l 阳离子抗剥落剂。 5 2 混合料马歇尔试验结果及分析 表5 - 2 空隙率为3 5 时不同纤维沥青混合料马歇尔结果比较 根据o a c空隙率为 级配类型纤维类型确定的最佳3 5 时油石 密度空隙率 卯臼月溺纠埘 m s 油石比( )比( ) ( g ，c m ) ( ) ( )( 呦( )( k n ) 无纤维 4 7 9 44 9 2 72 3 5 64 11 5 11 1 07 269 5 4 t f 聚酯纤维 4 9 5 35 1 1 02 3 4 74 11 5 71 1 67 4 11 0 0 7 德兰尼特 5 3 3 l5 7 1 92 3 9 23 01 4 71 3 28 1 21 0 1 8 聚丙烯腈纶 矿物纤维5 4 9 65 6 0 02 3 8 33 11 4 11 3 0 8 0 69 7 4 a c g 一1 6 i 木质素纤维5 3 8 l5 7 7 82 3 8 13 11 6 3 1 3 3 8 1 2 9 2 0 纳米改性矿 物纤维 5 5 2 0 5 7 0 82 3 5 9 3 9 1 6 9 1 3 07 6 99 9 2 金属晶须改 性纤维 5 4 0 35 6 3 22 - 3 8 23 11 6 11 2 98 0 7 9 7 8 表s 2 中为a c g 1 6 i 级配中加入不同纤维后混合料根据o a c 确定的最佳 油石比的变化及定空隙率为3 5 时为最佳油石比时的马歇尔指标，试验结果表 明： ( 1 ) 加入纤维后沥青混合料根据o a c 确定的最佳油石比均比不加纤维的 大，且加入的纤维不同，油石比增加的幅度不同，这与纤维的表面特性有关，木 质素纤维、纳米改性矿物纤维和金属晶须改性纤维质地疏松且表面积较大需要更 多的沥青包裹纤维和矿料，油石比增加较大；聚酯纤维质地较密，表面较光滑， 吸附性较差，油石比增加较小。 ( 2 ) 在最佳油石比下，各种纤维沥青混合料的稳定度值有不同的变化，其 中t f 聚酯纤维和德兰尼特纤维的稳定度值增加幅度较大，这是因为t f 聚酯纤 维表面进行过粗糙处理，德兰尼特纤维端部有明显突起的“触角”，这些都使纤维 更容易搭桥衔接，传递和分散合荷载，因而稳定度值较高。木质素纤维由于其较 大的吸油量，造成沥青用量过多，而使混合料的稳定度降低。 ( 3 ) 由于试验中误差的存在使得实际空隙率值在3 5 左右范围内波动。 5 3 混合料路用性能试验结果及分析 表5 3 中为最佳油石比下不同纤维沥青混合料部分路用性能试验结果，从表 中可以得出： 表5 3a c g 1 6i 加入不同纤维试验结果 t f 聚酯纳米改性金属晶须 指标无纤维聚丙烯腈纶矿物纤维木质素纤维 纤维矿物纤维改性纤维 最佳油石比( ) 4 7 9 4 4 9 5 3 5 3 3 1 5 4 9 65 3 8 l5 5 2 05 4 0 3 空隙率为3 5 4 9 2 75 1 1 05 7 1 95 6 0 0 5 7 7 8 5 7 0 8 5 6 3 2 时油石比( ) 粉油比1 3 8 41 3 41 2 0 51 2 31 1 91 2 5 1 2 6 浸水残留稳定 8 l3 48 5 2 08 7 1 38 2 9 38 5 7 18 1 4 58 9 2 1 度( ) 构造深度( m m ) o 4 9 9 0o 5 6 9 00 7 6 4 3o 6 6 4 60 5 6 4 8o 6 1 6 5o 6 2 5 5 渗水试验基本不渗 基本不渗基本不渗基本不渗基本不渗基本不渗基本不渗 动稳定度 ( 次m m ) 9 2 8 0 5 21 9 6 6 2 1 71 5 0 5 6 3 3 59 3 6 6 1 1 1 2 2 7 4 5 71 0 2 8 1 2 81 0 2 4 6 0 4 5 冻融r t 、0 8 3 7 30 8 4 1 60 9 7 5 01 1 7 9 71 2 3 4 61 0 5 7 81 1 2 2 4 l 劈裂 r t 2 o4 0 2 5o 4 3 7 50 4 6 0 8o 5 5 5 7o 4 9 0 3o 4 8 0 8o 5 0 7 2 l 试验 t s r ( 脚 4 8 0 75 1 9 84 7 2 64 7 1 14 5 7 54 5 4 54 5 1 9 ( 1 ) 加入纤维后混合料的动稳定得到了提高，这表明纤维可以有效的改善 混合料的高温稳定性；不同的纤维的改善效果不同，t f 聚酯纤维表面进行过粗 糙处理，德兰尼特纤维端部明显得“触角”使得这两种纤维的加筋效果要比其它纤 维更明显，所以其抵抗车辙的能力要更强。 ( 2 ) 纤维的吸油作用使得混合料的最佳沥青用量增加，矿料表面的有效沥 青膜厚度增加，有效地减弱了水对沥青与矿料界面的作用，且沥青由于其轻质组 分物质被纤维吸附而变稠，沥青与矿料间的界面作用更加强烈，所以纤维沥青混 合料的水稳定性要比普通混合料好。在这几种纤维混合料中最佳沥青用量大的其 浸水残留稳定度提高幅度就大，这正说明了沥青用量的大小对混合料水稳定性的 影响。 ( 3 ) 根据表5 3 可知纤维沥青混合料的t s r 值均比无纤维的小，这表明纤 维沥青混合料经冻融后，其劈裂强度损失较大，但这并不是说纤维沥青混合料抵 抗水侵害的能力就低，如表所示各种纤维沥青混合料的劈裂强度在冻融前后均比 无纤维的高，这说明其抗强度破坏的能力还是比无纤维沥青混合料的高一 ( 4 ) 低温弯曲试验结果如表5 4 ，由于沥青混合料的应变能密度临界值指标 是混合料l 晦界弯拉应变和弯拉强度2 个指标的综合，所以本次试验用它来评价沥 青混合料的低温抗裂性能如表5 5 、图5 1 。低温下沥青混合料可看作弹性材料， 一般情况下沥青混合料储存的弹性应变能越多，低温抗裂性能就越好。 由图5 1 可以明显的看出：加纤维沥青混合料的弯曲应变能密度值均比无纤 维的大，这是因为纤维的加入使得沥青形成结合力牢固的结构沥青界面，增强了 沥青对集料的握裹力，保证了沥青混合料的整体性而不易松散，从而提高了沥青 混合料的低温抗裂性；聚丙烯腈纶纤维的低温抗裂性优于其他纤维，这是因为它 具有较大的拉伸变形能力，表现在混合料结构断裂时，其阻裂效果好，具有良好 的增韧性。 表5 4 各种纤维沥青混合料低温弯曲试验结果 最大破坏荷载跨中挠度抗弯拉强度最大弯拉应变 弯曲劲度模量 指标 ( n )( m m )( m a ) ( + l o 石)s b ( a ) 无纤维 1 3 5 6 9 30 3 3 3 1 0 1 8 71 7 8 8 6 9 45 8 3 4 8 7 3 t f 聚酯纤维1 3 2 3 3 3 4 o 3 6 59 6 1 71 9 6 8 0 9 44 9 1 1 8 1 5 德兰尼特 1 4 2 1 ，2 8 9 2 6 7o 2 9 31 8 2 9 3 1 8 8 3 21 6 4 6 7 2 85 7 0 1 5 矿物纤维1 5 0 14 2 1 1 3 3 0 3 5 2 2 1 21 0 4 0 7 1 21 9 4 2 4 55 3 7 1 9 3 8 木质素纤维 1 2 1 0 2 5 4 4 6 7 o 3 1 2 1 39 6 0 3 0 0 l1 6 3 1 5 2 l5 9 0 0 5 9 7 纳米改性矿物纤维 1 5 7 3 5 3 4 3 6 70 3 1 5 9 1 71 0 6 8 6 7 71 7 6 2 0 4 76 0 7 5 9 3 4 金属晶须改性纤维 t 2 1 9 6 7 7 8 6 3 o 2 6 9 4 1 8 7 3 9 3 1 11 4 5 8 2 0 75 9 7 3 1 4 3 表5 5 不同纤维沥青混合料低温弯曲应变能密度 金属晶须纳米改性 指标 无纤维t f 聚酯纤维德兰尼特矿物纤维木质素纤维 改性纤维矿物纤维 弯曲应变能密度 ( k j r n 3 ) 8 2 2 2 6 79 0 3 3 3 39 4 0 2 5 28 9 6 2 2 08 _ 3 6 7 2 58 8 8 7 7 4 9 2 1 8 8 3 图5 一l 各种纤维低温弯曲应变能密度 ( 5 ) 加纤维的混合料其构造深度均比不加的大，_ 这是因为加入纤维后，由 于纤维的均匀分布使得混合料表面粗糙，构造深度加大。 ( 6 ) 由于采用的级配是密级配，空隙率较小，不加纤维和加纤维各种级配 的沥青混合料基本均不渗水。 一 ( 1 ) 加入纤维后，由于纤维的吸附作用，沥青混合料的最佳油石比增加， 不同的绛维沥青混合料獒最佳溜石比增加的幅度不同。 ( 2 ) 纤维的加入可以改善沥青混禽料的高低温性能及水稳性，根据试验结 果，聚褥燎籍绘绎维羁聚臻绎缭魏热憝效果较好，建议对予普遴沥毒溃会辩选溺 这两种类型的纤维。 第六囊试验路检测 6 ，l 试骏路概述 尹串蠢逮公路是省道2 0 l 线煞缝或豁分，该貉段莛予永登基褥羼镇置逶式立 交，向北缀哈家嘴、刘家湾、小和川、马泰山，止予中川机炀大门阴，全长2 2 8 6 公爨，藏算投资5 3 8 钇元，走全立交、垒瓣舞，鼹惠嚣车道，考完善戆交逶安全 设施和服务设施。路基宽2 4 5 米，设计行车时逮1 0 0 公飘。尹巾离速公路是省 簸兰搦逶往中强祝场静“窗叠”路，它静建成对树立曹肃省对井开放蘸“窗口” 形象、改蛰投资环境具有深远的意义。 为提商路面强度，延缀并减轻路面早期开裂，延长面朦的使用寿命，尹中高 途公路上凝层簌采耀纾维灏青混金瓣瑟瑟。鉴于纤维沥青滤露粒佟菇瑟鼷褒星盎 大两积使用尚不太多，且工程实践中的观测数据不足，2 0 0 1 年7 月课题组在尹 孛蕊速公路鞋7 0 k 2 黔0 0 0 楚修筑试验路，葵试验路段左半漆掺热彳f 蒙繇 纤维，右半幅掺加健路德浆酯纤维，作平行对比试验。路面结构简图如下所示。4 4 c m a c 一1 6t 沥青混凝土+ t f ( 媾g o o d r o a di i ) a c 一2 0 i 沥青溉凝土 a e 一2 f 沥专淫凝土 3 0 c m 水泥稳定碎石 3 0 c m 底基层 鼹争 绥壤溪考涅凝露蚕麓匿 6 。2 配台 l ：设计 配合比设计包括材料的选择、混合料类型的确定、矿料规格的选择、目标配 合院鹃确定、生产配台浇稻最佳沥鬻瘸量鹃确定。 试验路段选择a e 1 6i 趔配合料。伊麟a h 9 0 嚣霪交通道路石浊沥青。孵聚 醑纤维积往路德聚黼纤维，两种纤维的技术指标如表6 - 1 、6 2 所示。 表铲t f 聚酯终维技术搓标 裘8 - 28 鳗。确l l 按本撰擦 技术指标 测试值 强度( n m 矶2 6 0 0 延伸率( ) 3 0 6 耐温性( )2 6 0 表现特征有趣糙度处理 直径( um ) 2 0 5 颜色巍色 分散饿均匀 化学成分聚脂 绔纯类型 蕈熊 直径( 1 l l i n )o 0 2 4 丹尼尔( d 龉) 6 比重( g c m 3 ) 1 3 8 长发( 班m )8 颜色自然色( 白色) 熔点濑度( ) 2 5 8 湿度恢复( ) 豢麴性秃 矿避采鼹k 3 6 + 3 0 0 羚嚣场载截豹碎石移石震，永登艨渡溽旁沙石糕场提供 的水洗青砂和青海糟宁提供的矿粉。为改善酸性的花岗岩石料与沥青之间的粘附 。 整，鸯羹入溺青：游合辩= 1 ：3 豹a s 王藐囊落麴。 项目部试验室已按照j t j 0 5 2 2 0 0 0 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 规定的试验项目和试验方法对用予本项目路面上面层的沥青、碎稿、砂、矿粉等 专葶辩进行了物理化学性质试验，试骏结果表骢材料屡量帮各项技术攫标符合技 术规范3 0 8 节各项要求。在此基础上按照j t j 0 3 2 9 4 公路工程沥青路丽施工 接寒燕范矮定静糕疼积步骤遂行了a e 1 6l 密级笺沥考混合辩瓣标配会魄( 热 表6 3 ) 和生产配合比试验( 如图6 1 ) 。确定本项目路面上面层a c 1 6i 沥青混 合辩最佳沥青含量4 6 5 ，油石院4 8 8 ，粗、缨矿科院例为l 仓碎石3 0 ， 2 # 仓碎石3 0 ，3 # 仓3 3 ，矿粉7 ，a s t 抗剥落剂掺加星3 o 。 表6 3 设计级配( a c 一1 6 i ) 拯振 透过下列筛孔尺寸( m ) 矿孝莲重量百分率 a c 1 6 i1 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 6o 3o 1 50 0 7 5 9 5 7 5 5 8 4 2 3 2 2 2 1 6 1 1 ? 藏围l o o 4 8 1 0 09 0 7 8 6 35 03 72 82 l 1 5 中值1 0 09 7 58 2 56 85 2 54 12 9 52 21 6 1 1 6 上限l o e1 0 09 0 7 8 6 35 0 3 7 2 82 l 1 58 下限1 0 09 57 55 84 23 22 21 61 174 图6 2 级配曲线 6 3 试验路施工 ( 1 ) 材料试验和贮备 碎石、石屑、砂、矿粉等材料用汽车运到拌合站，试验人员逐车验收，杜绝 不合格材料进场，沥青存入贮罐，集料分规格堆放在料场材料贮备保持五个工作 ，一 日用量。沥青加热材料如柴油、煤炭和其他铺材，分别按生产实际需要调运和贮 备。 ( 2 ) 纤维的添加 9 纤维占混合料的比重很小，设备的精度将是影响拌和质量的一个重要方面。 纤维掺加的不均匀还会导致混合料的用油量偏大或偏小，影响工程质量。故本次 施工采用传统的间歇式拌合设备，采取人工方式投放纤维，这样经济性好、操作 简便。应注意的是要对投料工作人员进行严格要求，避免多投、漏投。 ( 3 ) 适宜的拌合时间 对于普通的沥青混合料，间歇式拌合设备每盘拌和时间为3 0 一6 0 s ，加入纤 维后，会使拌和时间延长l o 1 5 s 。本次施工中，拌合时间为干拌2 5 3 0 s ，以混合 料拌合均匀，纤维和沥青裹覆良好为准。 ( 4 ) f 沥青混合料拌合与出厂温度 通过室内对纤维沥青胶浆的研究，发现纤维加入后，沥青的劲度有所提高， 所以在沥青混合料施工中其等粘温度有所上升，故在混合料拌和中，一般将各环 节温度提高1 0 一1 5 。即矿料温度以1 6 0 一1 8 0 为宜，沥青加热温度1 4 5 1 7 0 ，且加热不宜越过1 6 h ，滥天加热宜当天用完，以免老化，混合料出厂温 度l s o 一 8 0 。 ( 5 ) 拌和质量检测与调燕 试捧一蠢籽嚣鼙对魏箨遴行震量羧焱，褒察野难蹩蓊全帮分数筠萄，是否商 张自料的产生，是否出现冒黄烟现象，观察混台料的颜色和堆积的形态判断沥诲 糟量豹太小，班使及对稍疆沥青弼量，敖变择合瀛度和拌和时间释措施避行调整。 6 4 试验路的捡测与势耩 经过壤土藏工工艺嚣，试验跽瑟瑟辑辩分奄；更均驾，衰莲更平餐，试验整段 面层颜色阿其他路面相比星微淡褐色，这主要与纤维加入后对沥青的吸附作用有 关。经过年冬攀低温、夏季毫瀑及孬车游考验课题缀予2 0 0 2 年1 2 嚣狳怼试验 路段进行回访检测，主要测试了路况情况。调查路段k 1