（材料学专业论文）混杂纤维改性沥青混合料性能研究.pdf

中文摘要 目前我国正处于道路交通高速增长时期，高质量的路面材料成为发展的必 需。纤维改性沥青混凝土因其优良的性能在一定程度上满足了路面使用需要。 然而由于纤维材料生产并不规范，不同种类、不同厂家生产的材料质量良莠不 齐、价格差距悬殊，这成为制约纤维改性沥青混凝土发展的一个重要因素。于 是本文通过对沥青混合料进行混杂纤维改性，制备新型路用材料，并对其性能 进行评价。所采用的混杂纤维由较为常用的木质素纤维及聚酯纤维按一定比例 共同构成。按照细观到宏观的次序依次对混杂纤维改性沥青胶浆、沥青砂浆及 沥青混合料进行了研究。 首先对改性沥青胶浆进行了网篮析出试验、锥入度试验及动态剪切流变仪 ( d s r ) 试验。分析了两种纤维材料对沥青胶浆性能影响的差异。结果显示聚 酯纤维更有利于加筋、增粘，而木质素纤维更有利于稳定自由沥青；含 2 0 5 0 木质素纤维的混杂纤维能够较好地改善沥青胶浆的抗剪切及车辙性 能；并通过试验结果说明d s r 在测试纤维改性沥青胶浆性能方面存在的不足。 在沥青胶浆研究的基础上，进行了混杂纤维改性沥青砂浆试验。设计了压 缩、蠕变及直接剪切等试验，研究了混杂纤维改性沥青砂浆的流变性能。分析 了混杂纤维对沥青砂浆抗低温开裂、高温变形及抗剪切性能的影响。进一步验 证4 0 木质素纤维含量的混杂纤维具有良好的改善性能。 最后进行了混杂纤维改性沥青混合料的制备及性能对比评价。研究了不同 混杂比例纤维的加入对最佳油石比、空隙率及稳定度等方面的影响。采用加时 车辙试验评价了沥青混合料的抗车辙变形能力；通过低温弯曲试验评价了混合 料的抗低温开裂能力；以马歇尔浸水稳定度及冻融劈裂强度比表征了混合料抗 水损害能力；并通过间接拉伸疲劳试验方法对比了不同混杂比例纤维改性沥青 混合料在耐疲劳性能方面存在的差异。 对混杂纤维改性沥青混合料的各项性能进行综合分析：当混杂纤维中木质 素纤维所占比例为2 0 5 0 时，改性沥青混合料具有优异的技术性能，而当比 例为4 0 时性能最优。以4 0 混杂比例为例，对混杂纤维改性沥青混合料的经 济效益进行了分析，混杂纤维对降低生产成本具有显著意义。 关键词：混杂纤维，纤维改性，沥青胶浆，沥青混凝土，路用性能 a b s t r a c t a tp r e s e n tc h i n ai sb e i n gi nap e r i o do f r o a dt r a f f i cg r o w i n gw i t hah i g hs p e e d ， s op a v e m e n tm a t e r i a l sw i t hh i g hq u a l i t ya r ei n d i s p e n s i b l et od e v e l o p f i b e rm o d i f i e d a s p h a l tm i x t u r ec a nm e e td e m a n do fr o a dt r a f f i ct o ac e r t a i ne x t e n tb e c a u s eo fi t s g o o dp e r f o r m a n c e s n e v e r t h e l e s sd i f f e r e n ts o r t s o ff i b e rh a v eg r e a td i s p a r i t yo n f u n c t i o na n dq u o t a t i o nb e c a u s eo ft h ep r o d u c t i o no ff i b e ri ss t i l ln o tv e r yc a n o n i c a l ， w h i c hh a sb e c a m eak e yp r o b l e mr e s t r i c t i n gt h ep r o g r e s so ff i b e rm o d i f i e da s p h a l t c o n c r e t e i nt h i sp a p e rak i n do fa s p h a l tm i x t u r ec o n t a i n i n gh y b r i df i b e ri sp r e p a r e d a n di n v e s t i g a t e d t h eh y b r i df i b e ru s e di nt h i sp a p e ri sc o n s t i t u t i v eo fc e l l u l o s ef i b e r a n dp o l y e s t e rf i b e rw h i c ha r et w ok i n d so fm o s tw i l d l yu s e df i b e r sa tp r e s e n t m a n y e x p e r i m e n t sf r o mm i n i s c a l et om a c r o s c o p ya r ec a r d e do u ta b o u th y b r i df i b e r m o d i f i e da s p h a l tm o r t a r ，s a n da s p h a l tm i x t u r ea n da s p h a l tm i x t u r e s f i r s t l yt h e i n f l u e n c e so fh y b r i df i b e ro nt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm o r t a rw e r e r e s e a r c h e da d o p t i n gb i n d e rd r a i n a g et e s t ，a w lp e n e t r a t i o nt e s ta n dd y n a m i cs h e a r r h e o m e t e r ( d s r ) t e s t t h er e s u l t ss h o wt h a tp o l y e s t e rf i b e rc a ni n c r e a s et e n d o na n d v i s c o s i t yb e t t e r ，w h i l ec e l l u l o s ef i b e rc a ns t a b i l i t yt h eu n r e s t r i c t e da s p h a l tb e t t e r h y b r i df i b e rw h i c hc o n t a i n s2 0 - 5 0 c e l l u l o s ef i b e rc a ni m p r o v et h e r e s i s t a n c et o s h e a f i n ga n dr u t t i n g t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h e r es t i l lh a v em a n ys h o r t a g e sf o r d s rt e s tt oe v a l u a t et h ep r o p e r t i e do ff i b e rm o d i f i e da s p h a l tm o r t a r t h e nb a s e do nt h er e s e a r c h e so fa s p h a l tm o r t a r ，e x p e r i m e n t a t i o n sa b o u ts a n d a s p h a l tm i x t u r ew e r ec a r d e do u t a n du n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t ，c r e e pt e s ta n dd i r e c t s h e a rt e s tw e r ed e s i g n e da n dr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e d a n a l y z e dt h e i n f l u e n c e so fh y b r i df i b e ro nt h er e s i s t a n c eo fs a n da s p h a l tm i x t u r et ol o w e r - t e m p e r a t u r ec r a c k i n ga n dh i g h - t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n ，w h i c hv a l i d a t e dt h eh y b r i d f i b e rc o n t a i n i n g4 0 c e l l u l o s ef i b e rh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e a tl a s th y b r i df i b e rm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r ew a sp r e p a r e d t h ei n f l u e n c e so f h y b r i df i b e rc o m p o s i t i v ep r o p o r t i o nt oo p t i m u ma s p h a l tr a t i o ，v o l u m eo fv o i d sa n d m a r s h a l ls t a b i l i t yw e r er e s e a r c h e d a d o p t i n gp r o l o n g e dr u t t i n gt e s tt h eh i g h e r t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nr e s i s t a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ew a se v a l u a t e d ；a d o p t i n g b e n d i n gt e s t t h el o w e r - t e m p e r a t u r e c r a c k i n gr e s i s t a n c e o fa s p h a l tm i x t u r ew a s e v a l u a t e d ；w a t e rd a m a g er e s i s t a n c ep r o p e r t yw a se v a l u a t e da d o p t i n gm a r s h a l lw a t e r s u b m e r g e ds t a b i l i t yt e s ta n df r e e z e t h a ws p l i tt e s t ；a n di n d i r e c tt e n s i o nf a t i g u et e s t s w e r ea l s oc a r r i e do u t a c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st op e r f o r m a n c e so fh y b r i df i b e rm o d i f i e da s p h a l t m i x t u r ew a sp e r f o r m e da n dt h er e s u l t ss h o wt h a t a s p h a l tm i x t u r eh a sb e t t e r p e r f o r m a n c e sw h e nt h ep r o p o r t i o no fc e l l u l o s ef i b e ri nh y b r i df i b e rr a n g e sf r o m2 0 t o5 0 a n d4 0 w o u l db et h eb e s tv a l u e t a k i n gt h ep r o p o r t i o no f4 0 f o re x a m p l e ， h y b r i df i b e rc a nd e c r e a s et h ec o s to ff i b e rm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r em a r k e d l v k e y w o r d s ：h y b r i df i b e r , f i b e rm o d i f i e d ，a s p h a l tm o r t a r , a s p h a l tm i x t u r e s ，p a v e m e n t p e r f o r m a n c e i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究意义 第一章引言帚一早i 百 自改革开放以来，中国经济发展取得了令世人瞩目的成就，各行各业都取 得飞速发展，其中作为基础产业的公路运输事业更是首当其冲。自“七五”以 来，中国进入了高等级公路建设的新阶段，公路建设无论从数量还是质量上都 有了很大的提高。截至2 0 0 7 年底中国公路通车总里程已经突破3 5 7 3 万公里， 其中高速公路达5 3 6 万公里。沥青混凝土路面对于行车具有油耗低、噪音小、 抗滑性好、车辆磨损小等优点，目前已在机场跑道、桥面铺装、高速公路、城 市道面等主要道路中得到广泛应用。在世界各国已建公路中，沥青路面已占 8 0 以上；我国高速公路中9 0 以上为沥青路面。 伴随经济的进步，现代公路交通正在向着高速、重载、大流量和渠化明显 等方面发展，而沥青混凝土路面在实际使用过程中存在着许多技术和质量问题 如：早期破损严重、使用寿命不足、表面性能低下、车辙与开裂严重等，这对 沥青混凝土路面提出了更高的要求。因此，目前改善沥青路面的使用品质，延 长路面的使用寿命和提高投资效益是各国交通部门所面临的重要课题。 为了解决沥青路面存在的以上问题，各国公路工作者进行了很多探索和尝 试，取得了不少研究成果，具有代表性的有“美国战略公路计划( s h r p s t r a t e g i ch i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) ”、s m a ( s t o n em a s t i ca s p h a l t ) 与o g f c ( o p e n 。g r a d e df r i c t i o nc o u r s e ) 等新型路面结构【l 】水】。另外，对沥青混凝土进 行改性也是提高沥青路面性能的有效方法。改性沥青在沥青混凝土路面中的应 用已经相对成熟，多数高等级路面的中、上面层都采用了改性沥青。所谓的改 性沥青是指掺加橡胶、树脂高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等改性 剂，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善 而制成的沥青结合料【1 】。从广义上讲，凡是可以改善沥青路用性能的材料如聚 合物、抗剥落剂、岩沥青等都可以称为改性剂。但是，目前应用最广泛的还是 聚合物改性沥青，主要包括三大类：树脂类、橡胶类及热塑性弹性体类。由于 属于化学改性，聚合物改性剂( 如s b s 、s b r 、e v a 、橡胶类等) 在沥青中的 添加量不可能无限制的增加，因此这种改性方式对沥青混凝土性能的提高仍是 武汉理工大学硕士学位论文 有限的。而物理改性则是进一步提高沥青混凝土的性能的有效方式。纤维作为 近年来国际上出现的一种非常引人注目的新型沥青混合料添加剂和稳定剂，因 其路面性能优良，施工简单等优点，国内外研究人员已广泛开展对纤维加强沥 青路面的研究工作并大量应用于实际工程。随着纤维材料越来越广泛地应用于 路面建设，相应地也开发出多种纤维产品。目前最常见的路用纤维主要包括三 种：木质素纤维、聚合物纤维和矿物纤维。由于目前对矿物纤维的增强作用存 在很大争议，因此其应用还是比较有限的；木质素纤维价格比较低廉，因此得 到最广泛的应用；聚合物纤维中目前应用较多的是聚酯纤维，虽然这种纤维具 有非常优良的路用性能，但是其相对较高的价格也限制了其应用。因此鉴于不 同纤维之间性能与价格上存在的巨大差异，本文提出了对沥青混凝土进行混杂 纤维改性的方法。 混杂纤维是指由两种或两种以上不同种类的纤维材料按照不同比例混合而 成的多相纤维材料。由于参与组成的几种纤维对沥青混合料的增强效果并不完 全相同，因此可以通过混杂而在性能方面起到优劣互补的作用，同时也可以有 效降低混合料的生产成本。这对于纤维改性沥青混凝土材料的广泛应用，丰富 与完善沥青路面性能改善技术措施，消除沥青路面早期损坏，延长路面的使用 寿命具有重要的现实意义。其良好的社会经济效益和广阔的应用前景不容忽 视。 1 2 混杂纤维沥青混凝土国内外研究现状 纤维作为一种增强材料在沥青混凝土中使用已经有几十年的历史。在沥青 混合料中使用纤维的最初目的是用于预防路面的反射裂缝【5 】。1 9 6 0 年，加拿大 多伦多大学的d a v i sn 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，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。 2 0 世纪6 0 年代中期在德国出现了一种新型的沥青混合料，称为沥青马蹄脂碎 石混合料( s m a ) 。在这种混合料中纤维成为不可或缺的重要组成部分，同时 由于纤维的加入也使得这种材料具有普通混合料不具有的优良路用性能。到2 0 世纪8 0 年代，随着s m a 在欧洲迅速推广，聚合物纤维( 如聚脂纤维、聚丙烯纤 维、聚丙烯腈纤维等) 、木质素纤维、玻璃纤维得到广泛应用，并形成了一些专 利产品，同时纤维织物或纤维格栅也开发应用于沥青混合料中，对其加强沥青 2 武汉理工大学硕士学位论文 路面的设计方法和应用进行了系统阐述，并应用于抵抗反射裂缝和延长路面使 用寿命之中。随着纤维和纤维织物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交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中( 如s m a 路面、薄层或超 薄层的沥青混凝土、多孔隙沥青混凝土( o g f c ) 、稀浆封层和双层防裂上铺层 等) 。目前，在美国和西欧等国家仍在大面积使用和研究纤维改性沥青混合料。 同时开发形成了自己的纤维产品和纤维添加设备，为纤维沥青混合料的普及应 用提供了方便【6 j 。 我国对纤维沥青混合料的研究起步较晚，到2 0 世纪9 0 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改性沥青产品的关 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( a a p t 。 1 9 8 9 ，v 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。后来，随着s m a 路 面结构的研究深入，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 碎石沥青混合料路用性能的贡献。与此同时纤维格栅在沥青路面中也有使用， 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【6 】。在研究纤维在沥青路 面中应用的同时，国外多种纤维也进入我国市场，在全国各省区的高等级公路 中得到了广泛应用。吉林、河北、山东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。 混杂纤维改性沥青混凝土是一个全新的概念。以往的混杂纤维多用于树脂 基、陶瓷基等复合材料中，在道路材料中的使用极少。近年来，混杂纤维开始 用于水泥混凝土当中，相关研究也取得了一定的成果口】【8 1 。然而对于混杂纤维 沥青混凝土的研究，相关文献甚少。目前就国内外的情况来看，纤维改性沥青 混凝土仍然是一个比较热门的研究方向。国内外的许多专家学者也对各种纤维 的改性机理、纤维对沥青混合料路用性能的影响做了大量的研究，取得了丰硕 的成果，但也存在很多问题： 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 以往纤维改性沥青混凝土的研究多集中在单一纤维改性方面，对于混杂 纤维改性沥青混凝土的研究国内外的报道很少。 2 ) 关于纤维在沥青路面中的改性作用机理分析也仅局限于复合材料理论或 断裂力学理论等某单一理论，没能完美结合沥青混凝土的自身特性，难以完全 解释纤维的改性机理，其理论分析尚待完善。 3 ) 目前对纤维改性沥青混凝土的研究方法较少，没有将纤维改性沥青胶浆 的性能与纤维改性沥青混凝土的性能良好地结合起来。 4 ) 在纤维改性沥青混凝土的研究中所用结构形式多为s m a 或o g f c ，对于 其它结构类型的纤维改性混凝土的研究较少。 1 3 研究技术路线 沥青混合料本身就是一种复杂的多元体系，而当加入混杂纤维后对其性能 的研究也就更加困难。混杂纤维改性沥青混合料从细观到宏观可以分解为如图 1 1 所示体系。本文的研究也依次从细观到宏观、从最小的结构单元逐渐扩 大，这样比较有利于透彻的揭示混杂纤维对沥青混凝土的性能影响。 医亟圜 ( 鳓 图1 1 混杂纤维改性沥青混合料体系 武汉理工大学硕士学位论文 本文拟采用目前应用最广泛的两种纤维材料木质素纤维和聚酯纤维， 参考国内外纤维沥青混合料研究的既有成果，对纤维改性沥青胶浆的性能进行 研究，初步确定两种纤维材料在沥青胶浆中所起的增强作用；进而对混杂纤维 改性沥青砂浆进行研究，以补充与验证混杂纤维改性沥青胶浆的研究结果，为 混杂纤维混合料的制备提供更全面的技术支持。制备混杂纤维改性沥青混合 料，通过多种路用性能试验测试方法研究混杂比例对混合料高、低温性能、抗 水损害性能及抗疲劳等性能的影响。 本文的主体研究内容如下： 1 ) 混杂纤维改性沥青沥青胶浆性能研究； 2 ) 混杂纤维改性沥青砂浆技术性能研究； 2 ) 混杂纤维改性沥青混凝土性能对比研究； 3 ) 探讨混杂纤维改性沥青混凝土的社会经济效益。 本文预期的研究目标是弄清混杂纤维材料对沥青胶浆及沥青混合料性能的 影响；确定混杂纤维中两种纤维材料的最佳混合比例，制备出具有优良性能的 混杂纤维沥青混合料；并分析纤维改性沥青胶浆与纤维改性沥青混合料性能的 相关性，探讨混杂纤维在沥青混合料中的改性机理。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章试验原材料及试验方法 沥青混凝土材料是一种多相的非均质复合材料，影响其性能的因素非常 多，因此本课题研究过程中选择原材料比较严格，尽量减少原材料的变异，力 求降低原材料对试验结果带来的不利影响。对于试验方法的选择，针对纤维在 沥青混凝土中所发挥的作用，选择方便且有效的试验方法对混杂纤维改性沥青 胶浆及混合料性能进行评价。 2 1 原材料 2 1 1 沥青 研究所采用的沥青为a h 一7 0 重交道路石油沥青。沥青常规试验按公路工 程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 - - 2 0 0 0 ) 9 1 要求进行，各项性能指标 如表2 1 所示。 表2 1a h 一7 0 道路石油沥青技术性能 项目测试值技术指标 针入度( 2 5 c ，5 s ，l o o g ) ( o a t o m ) 6 1 76 0 - 8 0 延度( 5 c m m i n ，l5 ) 不小于( c m ) 1 0 01 0 0 软化点( 环球法) ( ) 不小于 5 64 6 溶解度( 三氯乙烯) 不小于( ) 9 9 79 9 5 旋转薄膜烘箱质量变化墨( ) o 2 8o 8 老化 针入度比茎( ) 6 86 1 1 6 3 。8 5 m i n 残留延度( 1 5 ) ( c m ) 5 01 5 闪点( c o c ) 不小于( ) 3 0 52 6 0 含蜡量( 蒸馏法) 不大于( ) 1 72 2 密度( 1 5 ) ( g c m 3 ) 1 0 3 0实测 6 0 c 动力粘度不小于( p a s ) 2 5 31 8 0 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 纤维 用于混杂的两种纤维分别为聚酯纤维( p o l y e s t e rf i b e r ，以下简称为p f ) 和松散木质素纤维( c e l l u l o s ef i b e r ，以下简称为c f ) ，见图2 - 1 。木质索纤维外观 团聚较多、长度较不均匀，而且杂质较多。聚酯纤维则外观较好，长度均匀一 致。 图2 - 1c f 絮状纤维与p f 纤维 ( 1 ) 纤维部分性能试验结果 参考公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 1 及沥青路面用木 质素纤维国家标准( j t t5 3 3 2 0 0 4 ) 等，对两种纤维进行了性能试验，试验结 果如表2 - 2 、2 - 3 所示。由于试验条件限制，其中部分数据参考产品原厂参数。 表2 - 2 聚酯纤维技术性能 项目试验结果技术指标 颜色白色白色 比重，g , c m 3 1 3 6 直径，r a i n 0 0 20 0 1 0 0 0 2 5 长度，m m 66 l5 ，1 2 15 抗拉强度，m p a 5 1 7= 5 0 0 熔点， 2 4 9 燃点， 5 5 6 断裂伸长率， 3 3三1 5 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 3 木质素纤维技术性能 项目试验结果技术指标 灰分含量， 1 5 31 8 5 比重，g c m 3 1 3 3 p h 7 27 5 1 熔点， 2 0 0 直径，i i l i l l 0 0 4 2 长度不大于，m l i l 56 抗拉强度，m p a 3 0 表2 - 8 矿粉性能实验结果 指标矿粉技术指标 视密度( g c m 3 ) 2 9 2 3 2 5 含水量( ) o 3茎1 o 6 m m 1 0 0 1 0 0 粒度范围 o 1 5 m m 9 9 99 0 - - - 1 0 0 0 0 7 5 m m 9 9 7 7 5 1 0 0 外观无团粒结块无团粒结块 亲水系数o 9 6 0 c f 4 0 c f 8 0 c f c f a h 7 0 ，其中2 0 c f 、4 0 c f 与 6 0 c f 三种试验性能差别很小。试验结果说明添加聚酯纤维能够改善沥青胶浆 的抗车辙性能，而且在混杂纤维体系中这种改善效果一般随着聚酯纤维混杂比 例的增加而增加，不过这种增加的幅度相对不够明显。 1 e + 0 5 神e + 0 3 1 e + 0 2 1 e + 0 5 1 e + 0 4 罡1 。e + 0 3 蒸 舔 释1 e + 0 2 忖 辖 1 e + 0 1 1 e + 0 0 4 65 66 16 67 l7 6 温度 图3 1 2 混杂纤维改性沥青胶浆的车辙因子对数曲线 4 14 65 66 16 67 17 6 温度 图3 13 混杂纤维改性沥青胶浆抗车辙参数对数曲线 很多学者认为l g i s i n 万对相位角不够敏感，因此低估了相位角变化对抗 4 o +e ，叮d卅困耩 武汉理工大学硕士学位论文 车辙能力的影响。l e n o b l e 和n a h a s 于是提出对未老化沥青以1 0 r a d s 频率下， l g i t a n 万= l k p a 时的温度作为评价抗车辙性能的参数，称其为车辙极限温度 【2 。图3 1 3 即为以此方法对试验数据处理而得的一组曲线。可以看出，采用极 限温度与采用车辙因子评价对试验规律并无影响。虽然l g l t a n 万相对 i g l s i n 万对抗车辙性能的表征要显著一些，但是仍然不能很好的反映不同混杂 纤维沥青胶浆抗车辙性能的差异。分析认为用于评价普通改性沥青胶浆的d s r 试验在测试纤维沥青胶浆时存在较大弊端。由于本文所用纤维材料的长度都在 6 m m 左右，而4 0 以上条件可用试样尺寸只有m 8 m m x h 2 m m ，那么所取试样 不均匀的可能性较大，而且不能充分体现出纤维在沥青中的效用。由于尺寸效 应的影响，使用d s r 并不能很好的反映出纤维材料所起到的作用。 3 5 本章小结 本章对混杂纤维改性沥青胶浆的多种性能进行了试验。对掺加不同种类纤 维的沥青胶浆性能进行了对比，分析了每种纤维组分在沥青胶浆中所起的作 用，并使用用于测试改性沥青性能的动态剪切流变仪对纤维改性沥青胶浆进行 研究，分析了动态剪切流变仪用于纤维改性沥青胶浆性能检测的优缺点。 本章的主要结论如下： ( 1 ) 当混杂纤维中木质素纤维的比例在2 0 5 0 的范围内，混杂纤维 改性沥青胶浆的抗剪切能力相当甚至超过单搀聚酯纤维沥青胶浆的抗剪切能 力。 ( 2 ) 聚酯纤维长径比较大，能够在沥青中形成致密的立体网络结构，起 到增粘的作用。而木质素纤维由于自身吸油率大的特点，能够吸收大量的自由 沥青，起到稳定自由沥青的作用。 ( 3 ) 锥入度试验是评价纤维改性沥青胶浆简便有效的方法。结果显示， 纤维材料能够显著提高沥青胶浆的抗剪切能力。纤维材料的加筋作用对提高抗 剪切能力的贡献要比稳定自由沥青作用大。 ( 4 ) 动态剪切流变仪能够反映纤维沥青胶浆的抗车辙能力，但是由于纤 维的尺寸效应的影响，低估了纤维在沥青胶浆中所起的作用，试验方法存在缺 陷。 武汉理工大学硕士学位论文 由于纤维沥青胶浆延迟粘弹恢复能力比普通沥青大很多，疲劳因子所反映 的规律与实际相反，因此不适于用此参数评价混杂纤维改性沥青胶浆的疲劳性 能。 ( 5 ) 车辙因子能够反映混杂纤维改性沥青胶浆抗车辙性能的总体规律： 聚酯纤维比木质素纤维更加能够改善沥青胶浆的抗车辙性能，因此一般混杂纤 维中聚酯纤维比例高的沥青胶浆的抗车辙性能要好。但是用于评价化学改性沥 青的标准d s r 方法并不能充分的表征纤维改性沥青胶浆的性能，所以有待改善 d s r 试验夹具与试验程序，以降低由于纤维的尺寸效应对试验结果产生的不利 影响。 武汉理工大学硕士学位论文 第四章混杂纤维改性沥青砂浆性能研究 沥青砂浆是常规沥青混合料的一种简单结构形式，主要由粒径较小的细砂 粒和沥青胶结料以及少量其它改性材料如抗剥落剂、纤维等混合而成。对沥青 砂浆的粘弹特性等进行试验研究，得到这种简单结构形式的一般力学性质，能 够为细观力学角度研究沥青混合料复杂结构组成机理提供参考，也为数值模拟 沥青混合料粘弹性等力学行为提供依据。 4 1 混杂纤维改性沥青砂浆制备 4 1 1 混杂纤维改性沥青砂浆配比 本文最终研究的沥青混合料的结构为s u p e r p a v e l 2 5 结构，因此沥青砂浆的 配合比选取s u p e r p a v e l 2 5 级配中最大粒径小于2 3 6 的部分作为沥青砂浆的级 配结构，其组成如表4 1 所示。 表4 1 沥青砂浆合成级配 筛孔尺寸 2 - 3 61 1 8o 6 o 3o 1 50 0 7 5 r a m 通过率1 0 06 9 15 1 4 0 73 1 72 5 2 沥青砂浆的油石比选用1 5 3 w t ( 相当于s u p e r p a v e l 2 5 中4 9 w t 的油石 比) ，混杂纤维的总掺量为沥青砂浆总重的o 8 5 w t ( 相当于s u p e r p a v e l 2 5 中 0 3 w t 的掺量) 。其中混杂纤维中木质素纤维所占混杂纤维的体积比例分别为 o ，2 0 ，4 0 ，6 0 ，8 0 及1 0 0 。 4 1 2 试样制备 沥青砂浆所用集料为设计s u p e r p a v e 级配集料所用的4 号料( 0 - 2 3 6 ) ，所 武汉理工大学硕士学位论文 用矿粉为石灰石矿粉。在试验前，预先将所需集料及矿粉置于1 0 5 * c + j * c 的烘 箱中烘干至恒重备用。 按所合成级配准确称量所需细集科及矿粉，将两者混合均匀后置于1 5 0 c 的烘箱中加热。试验所用拌和设备为实验室用小型沥青混合料拌和机，拌和温 度采用1 4 5 c ，试验前应该将拌和机保温到所需温度。为了保证纤维分散的均 匀性，应将沥青跟纤维拌和均匀后再加入集料。拌和时首先将加热到 1 4 0 。1 5 0 c 的一定质量的a h 一7 0 沥青加入到拌和锅中，加入计算好的纤维材 料，充分搅拌均匀，然后加入加热好的集料搅拌9 0 - 1 2 0 s 。 研究所用试件尺寸为b 5 0 m m x h 5 0 m m 的圆柱体试件，采用如图4 - 1 所示模 具静压法成型而成，试件如图4 2 所示。 本文中所有沥青砂浆的性能测试试验均在u t m 一2 5 万能试验机上完成。 茁一 图4 - 1 试样成型模具图4 - 2 试验试样 4 2 压缩一卸载试验 沥青砂浆是一种粘弹性材料，与沥青胶浆相似，在较低的温度下柔韧性降 低，因此容易发生低温开裂。对于纤维沥青改性胶浆的研究，目前没有理想的 评价其低温开裂性能的方法。因此在本章中设计了压缩一卸载试验，测试试件在 低温下所能承受荷载以及变形，评价其低温抗开裂能力。 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 1 试验方法 对7 种沥青胶浆试件进行了试验，每种试样进行3 次平行试验。试验前将 所测试样置于达到试验温度的u t m 一2 5 万能试验机的环境箱中保温，直至试样 内部温度达到试验温度的o 5 范围内，此过程一般不少于2 h 。本试验的设定 温度为0 。c 。试验加载方式是以2 m m m i n 的速率匀速加载达到试样极限荷载后 立刻卸载，如图4 3 所示。整个过程中力与试件轴向位移的相应数据由传感器 自动采集并输入到计算机中。 吕 吕 碘 楸 暹 暴 4 2 2 试验结果与分析 时间m i n 图4 3 压缩一卸载试验加载方式 试验过程中轴向荷载与轴向变形的曲线如图4 4 所示。 1 6 1 4 1 2 至l o 鬟8 暹6 暴 4 2 0 轴向变形m m 图4 ，40 。c 、2 m m m i n 压缩一卸载试验 武汉理工大学硕士学位论文 以图4 4 中一条曲线为例，可以看出纤维沥青砂浆的荷载一变形曲线可以分 为四个部分：第一阶段切线模量为常数，应力应变具有线性比例关系，材料基 本上处于弹性工作状态，如图中a b 段；b c 段为粘弹性阶段，随着加载时间的 增长，切线模量不再是常数，而是逐渐变小，且减小的速度逐渐加快，荷载一变 形具有曲线特性；c d 为粘塑性阶段，当加载时间继续延长超过c 点后，应力 基本不再增加，切线模量接近0 ，曲线呈现为水平直线，材料发生塑性流动； d e 阶段是卸载曲线，留下较大的