（化学工艺专业论文）短切沥青碳纤维在沥青混凝土路面的应用研究.pdf

摘要 论文对沥青碳纤维的表面改性方法、表征手段以及改性效果做了详细的介 绍，对改性前后短切沥青碳纤维增强沥青混凝土的各种路用性能做了测试及分 析，并对短切沥青碳纤维增强沥青混凝土的实际路面试验和技术经济效应做了分 析。论文首先合成了超支化聚酰胺酯高分子聚合物，利用所合成的超支化聚合物 以及其它几种高分子乳液作为沥青碳纤维的表面改性剂以解决沥青碳纤维表面 光滑的问题，达到增加其在沥青混凝土中握裹力的目的。将改性前后的短切沥青 碳纤维分别掺加到沥青混凝土中，通过马歇尔实验结果分析，获得短切沥青碳纤 维增强沥青混凝土的最佳配比，并利用三点抗折、抗压等测试方法来分析短切沥 青碳纤维增强沥青混凝土的整体路用性能，取得了满意的性能增强效果。 本研究工作的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 超支化聚酰胺酯( h b p a e ) 的合成：以顺丁烯二酸酐与二乙醇胺的加 成反应合成n ，n 一二羟乙基顺丁烯二酸单酰胺，然后在对甲苯磺酸作为催化剂的 条件下进行酯化缩合反应得到超支化聚酰胺酯。 ( 2 ) 产品的表征：对合成的超支化聚酰胺酯利用红外表征特征官能团，利 用元素分析测试分子中的碳氢含量，以此来确定其分子结构。 ( 3 ) 沥青碳纤维的表面改性：利用沥青碳纤维的浸泡工艺将所合成的 h b p a e 及其它几种高分子乳液改性剂对沥青碳纤维进行表面改性，并利用改性 剂涂覆量计算、扫描电镜分析、红外分析和元素分析对改性后的沥青碳纤维进行 表征以确定各种高分子改性剂对沥青碳纤维的改性效果。 ( 4 ) 沥青碳纤维及纤维胶浆性能分析：通过测试对比改性前后沥青碳纤维 及其它几种纤维的耐热、吸湿等特性分析各纤维性能，并将改性前后沥青碳纤维 及多种其它纤维制成纤维沥青胶浆，通过测试胶浆性能分析不同纤维对沥青的持 有力及抗剪切力的大小。 ( 5 ) 短切沥青碳纤维增强沥青混凝土的马歇尔配比实验：通过马歇尔实验 系统研究了沥青碳纤维含量、长度等几何特性以及沥青碳纤维改性类型对沥青混 凝土马歇尔指标的影响，从而得到最佳的短切沥青碳纤维增强沥青混凝土的配比 设计。 ( 6 ) 短切沥青碳纤维增强沥青混凝土的路用性能分析：通过测试短切沥青 碳纤维增强沥青混凝土的车辙、低温、抗压等路用性能，分析改性前后短切沥青 碳纤维对沥青混凝路面的性能增强效果。 ( 7 ) 短切沥青碳纤维增强沥青混凝土路面的试验路研究及技术经济分析： 对短切沥青碳纤维增强沥青混凝土路面的上路实验条件进行阐述，并对其实际应 用的技术经济前景进行了分析。 关键j 闻：沥青碳纤维；沥青混凝土路面；表面改性；超支化聚合物；混凝土 路用性能。 a b s t r a c t ar e v i e wo nt h em o d i f i c a t i o nt e c h n i q u e ，c h a r a c t e r i z a t i o na n de f f e c to fp i t c h c a r b o nf i b e ra n dp a v e m e n tp e r f o r m a n c e so ft h ea s p h a l tc o n c r e t em i x e dw i md i f f e r e n t k i n d so fs h o r tc u tp i t c hc a r b o nf i b e r sw e r es t u d i e d ，t h eq u a l i f i c a t i o no fp a v e m e n t e x p e r i m e n ta n de c o n o m i cv a l u ew e r ea l s op r e s e n t e di nt h i sp a p e r h y p e r b r a n c h e d p o l y ( e s t e ra m i d e ) w a sp r e p a r e d ，a n dt h ep i t c hc a r b o nf i b e r sw e r em o d i f i e db yt h e h y p e r b r a n c h e dp o l y ( e s t e ra m i d e ) a n ds o m eo t h e rp o l y m e re m u l s i o n si no r d e rt os o l v e t h es l i c ks u r f a c eo ft h ep i t c hc a r b o nf i b e r sa n dt h em o d i f i c a t i o nw o u l di m p r o v et h e 鲥po ft h e mi nt h ea s p h a l tc o n c r e t e t h eo p t i m u mm i x t u r er a t i oo ft h ea s p h a l t c o n c r e t em i x e dw i t ht h ed i f f e r e n tk i n d so fs h o r tc u tp i t c hc a r b o nf i b e r sw a so b t a i n e d b yt h em a r s h a l le x p e r i m e n t s t h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e so ft h ec o n c r e t em i x e dw i t l l t h ed i f f e r e n tk i n d so fs h o r tc u tp i t c hc a r b o nf i b e r sw e r et e s t e da n dt h er e s u l t sw e r e s a t i s f a c t o r y p a r t i c u l a rc o n t e n t si nt h i sp a p e rw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep r e p a r a t i o no fh y p e r b r a n c h e dp o l y ( e s t e ra m i d e ) ：s t a r t i n gw i t h t h e a d d i t i o nr e a c t i o no fc i s - - b u t e n e d i o i ca n du n h y d r i d e - d i e t h a n o l a m i n et op r e p a r et h e m o n o m e r , t h e nh y p e r b r a n c h e dp o l y ( e s t e ra m i d e ) w a sp r e p a r e dt h r o u g ht h e e s t e r i f i c a t i o na n dc o n d e n s a t i o np o l y m e r i z a t i o nw h i l et h ep a r a t o l u e n e s u l f o n i ca c i dw a s t h ec a t a l y z e r ( 2 ) c h a r a c t e r i z a t i o no fh y p e r b r a n c h e dp o l y ( e s t e ra m i d e ) ：t h ec h a r a c t e r i s t i c f u n c t i o n a lg r o u p so fh y p e r b r a n c h e dp o l y ( e s t e ra m i d e ) w e r ec h a r a c t e r i z e db yi r t h e c o n t e n to fc & hw a sc h a r a c t e r i z e db ye l e m e n ta n a l y s i s ( 3 ) t h em o d i f i c a t i o no ft h ep i t c hc a r b o nf i b e r s ：t h ep i t c hc a r b o nf i b e r sw e r e m o d i f i e db yt h eh y p e r b r a n c h e dp o l y ( e s t e ra r n i d e ) a n ds o m eo t h e rp o l y m e re m u l s i o n s i i i b yt h em e t h o do fm a r i n a t ea n dt h ee f f e c to ft h em o d i f i c a t i o nw a s t e s t e db yc o u n t i n g o fc o a t e da m o u n t s ，i r ，e l e m e n ta n a l y s i sa n ds e m ( 4 ) t h ea n a l y s i so fp i t c hc a r b o nf i b e ra n da s p h a l tm i x e d 谢t hd i f f e r e n tk i n d so f f i b e r s ：t h em o i s t u r ea b s o r p t i o na n dh e a t - r e s i s t a n c eb e h a v i o ro ft h ed i f f e r e n tk i n d so f f i b e r sa n dt h eb a s k e td r a i n a g e ，s i n k e ra n dt e n s i l es t r e n g t hp e r f o r m a n c eo fa s p h a l t m i x e dw i t hd i f f e r e n tk i n d so ff i b e r sw e r et e s t e da n dc o n t r a s t e d ( 5 ) t h em a r s h a l le x p e r i m e n to ft h ea s p h a l tc o n c r e t e ：t h ei n f l u e n c e so f t h el e n g t h ， t h ep i t c hc a r b o nf i b e ra m o u n ta n dt h ec a t e g o r i e so ft h em o d i f i e df i b e r st ot h em a r s h a l l i n d e xo ft h ec o n c r e t ew e r et e s t e dt h r o u g ht h em a r s h a l le x p e r i m e n ta n dt h eo p t i m u m m i x t u r er a t i oo ft h ea s p h a l tc o n c r e t em i x e dw i t ht h ed i f f e r e n tk i n d so fm o d i f i c a t o r y s h o r tc u tp i t c hc a r b o nf i b e rw a so b t a i n e d ( 6 ) t h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e so ft h ec o n c r e t e ：t h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e s s u c ha st h et h r e e - p o i n tt e n s i l es t r e n g t h ，r u ts t a b i l i z a t i o na n dc o m p r e s s i v ep e r f o r m a n c e o ft h ea s p h a l tc o n c r e t em i x e d 、析t i ld i f f e r e n tk i n d so fm o d i f i c a t o r ys h o r tc u tc a r b o n f i b e r sw e r et e s t e d ( 7 ) t h ea n a l y s i so fp a v e m e n te x p e r i m e n tc o n d i t i o na n dt e c h n i q u e ：t h ec o n d i t i o n o ft h ep a v e m e n te x p e r i m e n to ft h ea s p h a l tc o n c r e t em i x e dw i t hs h o r tc u tp i t c hc a r b o n f i b e r sw a sd i s c u s s e da n dt h ep r o s p e c to ft h ea p p l i c a t i o nw a sa n a l y z e d k e yw o r d s ：p i t c hc a r b o nf i b e r ；a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t ；s u r f a c et r e a t m e n t ； h y p e r b r a n e h e dp o l y m e r s ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e i v 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。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 5 0 0 g p a ； ( 2 ) 高强度( h t ) 纤维，强度 3 g p a ； ( 3 ) 中等模量( i m ) 纤维，模量1 0 0 - - - 5 0 0 g p a ； ( 4 ) 低模量( l m ) 纤维，模量1 0 0 - - 2 0 0 g p a ； ( 5 ) 普通用途( g p ) 短纤维，模量 1 0 0 g p a ，强度 2l 。，由于失效方式 为纤维断裂，材料具有很好的力学性能7 3 1 。本论文对所用改性前后的沥青碳纤维 进行了单根纤维的拔出实验。 纤维在沥青中的握裹力大小反映了纤维混凝土的性能增强程度，本论文对所 用改性前后的沥青碳纤维进行了单根纤维的拔出实验。 试验方法：取两种纤维( 未改性沥青碳纤维和e v a 改性沥青碳纤维) ，根据 上述公式计算，选择埋入长度为2 4 c m 的沥青碳纤维，将其埋入1 8 0 加热后的 沥青中，通过在纤维上端使用夹具将冷却放置1 d 后的试样在i n s t r o n 万能拉力机 上进行单根纤维的拔出实验，通过测试纤维拔出强度进行单根纤维的握裹力大小 计算。通过测试纤维拔出强度进行单根纤维的握裹力大小计算，并对单丝拉拔实 验结果较好的改性沥青碳纤维进行了纤维拔出的应力应变曲线测定，纤维拔出过 程公式( 4 ) 如下【7 4 】： 济南大学硕士学位论文 ，d f p = ，2 m x d x t = f d ( 2 r e l ) ( 4 ) l 纤维嵌入长度t 界面结合强度f p 纤维拔出最小载荷r 纤维横截面半径 4 3 沥青碳纤维与沥青碳纤维沥青胶浆性能试验结果 4 3 1 沥青碳纤维性能试验结果 4 3 1 1 沥青碳纤维的吸湿性能 在实际使用中，纤维的吸湿性对混凝土的耐久性影响较大，不同纤维的吸湿 特性也各不相同。五种纤维的吸湿性结果见表4 2 。 表4 2 纤维的吸湿性能比较 t a b l e4 2t h em o i s t u r ea b s o r p t i o nb e h a v i o ro ft h ef i b e r s 纤维类型 纤维编号 干燥纤坌隹吨 吸学维 平鼍凳尹率 石棉纤维 涤纶纤维 沥青碳纤维 h b p a e 改性 沥青碳纤维 e v a 改性沥 青碳纤维 9 9 7 6 1 0 0 0 3 1 0 0 0 3 9 9 3 2 9 9 0 2 9 9 8 7 9 9 8 3 9 9 3 7 1 0 0 0 3 1 0 0 0 2 1 0 8 3 0 1 0 4 6 0 1 0 2 4 6 1 0 2 0 1 1 0 4 8 9 1 2 2 0 9 1 2 3 4 8 1 2 3 5 7 1 1 9 7 7 1 1 9 5 3 1 2 0 1 2 1 0 8 5 6 1 0 7 8 5 1 0 8 9 6 1 0 6 8 5 1 1 4 6 8 1 1 0 3 5 1 1 1 2 6 1 1 0 9 8 1 1 3 2 0 2 3 1 3 2 0 5 3 8 7 3 6 0 7 8 3 7 在2 0 相对湿度为9 0 的保湿箱中将五种纤维经过3 d 的保湿后，发现石棉 纤维吸水后体积明显膨胀，用手触摸湿感明显，且能挤出水体，吸水后石棉由灰 白色变为了微黄色；涤纶纤维吸水后体积膨胀也较为明显，其颜色变化明显由白 色变为微黄色，用肉眼即可观察到水份的存在；未改性沥青碳纤维以及两种改性 剂改性后的沥青碳纤维吸水后体积变化不明显，用手触摸稍有湿感，这三种纤维 的吸湿性较小。 3 5 l 2 3 1 2 3 l 2 3 1 2 3 1 2 3 短切沥青碳纤维在沥青混凝十路面的应用研究 4 3 1 2 沥青碳纤维的耐热性 纤维加入热拌沥青混凝土中，其耐热性优劣也是关键，耐热性差的纤维限制 了拌和温度和拌和时间，有些甚至会发生卷曲或结团的现象。五种纤维的耐热性 试验结果如下表所示。从表中可以看出涤纶纤维耐热性最差，无机纤维耐热性较 好。在胶浆拌制时发现同样的现象，涤纶纤维在拌和中易结团，分散性差，拌和 时间超过四分钟，就会变成焦黄色。石棉纤维虽无发生卷曲现象，但其颜色变暗。 因此可见改性前后的沥青碳纤维比其他两种纤维的耐热性要好，颜色无明显变化 也未出现形态变化。 表4 3 纤维的耐热性能比较 t a b l e4 3t h eh e a t - r e s i s t a n c eo f t h ef i b e r s 4 3 2 沥青碳纤维沥青胶浆性能 4 3 2 1 网篮析出试验 纤维沥青胶浆其析出量的大小反应了纤维的可持沥青能力的强弱，几种纤维 析出沥青百分率如下表所示。 3 6 济南大学硕十学位论文 表4 4 网篮析出试验结果 t a b l e4 4t h eb a s k e td r a i n a g eo f t h ea s p h a l tm i x e dw i t hf i b e r s 时i 嗣 温度纤维类型 3 0 m i n ( 多幻6 0 m i n ( )；o m i n ( )1 2 0 m i n ( ) 石棉纤维 1 2 5 6 5 0 1 0 5 0 1 3 5 0 涤纶纤维 l7 2 52 5 6 72 9 8 03 0 2 3 1 3 0 未改性沥青碳纤维 1 0 81 9 72 5 52 8 2 h b p a e 改性沥青碳纤维0 7 6 1 0 81 5 82 3 1 e v a 改性沥青碳纤维0 7 8 1 1 62 2 52 6 5 石棉纤维 4 7 59 7 5 1 4 2 51 8 2 5 涤纶纤维 2 3 7 52 7 5 031 2 53 8 7 5 1 4 0 未改性沥青碳纤维 1 9 62 8 53 3 44 2 6 h b p a e 改性沥青碳纤维0 9 8 1 1 81 9 52 5 2 e v a 改性沥青碳纤维0 9 5 1 5 21 6 22 4 6 未改性沥青碳纤维 2 0 23 0 54 3 26 0 5 1 7 0 h b p a e 改性沥青碳纤维 1 9 82 5 63 7 75 8 5 e v a 改性沥青碳纤维 1 0 51 7 32 0 52 5 5 从试验结果看，三种沥青碳纤维吸附沥青的能力都很强，尤其是e v a 改性 沥青碳纤维；其次是石棉纤维，而涤纶纤维相对较差。 根据界面化学理论，处于物系平衡状态下的各相相接触的交界面，在分子力 的作用下连续发生组分或能量上的变化，在界面接触处形成新的相，甚至产生新 的物质，使其表面吉布斯自由能降低，从而使体系处于较稳定的状态。在沥青处 于高温状态下，纤维同沥青相互作用，使得纤维这种固态物质表面对沥青产生了 吸附现象。由表4 4 可知，沥青碳纤维的沥青析出量较小，表明其可持沥青能力 最强，对沥青的稳定作用最好。而其它纤维在不同的试验温度下，沥青析出量有 差异。通过改性后的沥青碳纤维在高温下对沥青的可持能力均有增强，其中e v a 改性沥青碳纤维的耐热性能增强幅度较大。涤纶纤维表面光滑，表面能最小，可 持沥青能力比前几种纤维要差，虽在1 3 0 下，石棉纤维可持沥青能力比较好， 但随温度进一步升高，其可持沥青能力下降，在1 4 0 。c 时可持沥青能力己明显下 降，到1 7 0 时其可持沥青能力已很弱。 4 3 2 2 沉锤试验 3 7 墼竺兰皇些：! 篓竺尘塞堡筌圭塑窑錾窑些型彗 表4 5 沉锤试验结果 t a b l e 4 5 t h es i n k e re x p e r i m e n t o f t h e 斟口h a l t m i x e d w i t h f i b e r s 娄维维沥簇i m 嚣p a e 豢一 平均沉入 深度 1 60 61 86 96 1 550 65 1 72 76 0 ( m m ) 抗芝强譬0 2 5 7 8 4 0 1 9 0 3 81 7 5 8 2 92 5 9 7 4 12 4 8 8 0 60 0 8 7 3 0 沉锤试验反映了纤维沥青胶浆的抗剪切能力的大小。直观地说，沉锤沉 的 深度越大，其抗剪切能力越小，由上表结果可知，原始沥青的沉锤沉入深度最大， 之后依次是涤纶纤维、石棉纤维、沥青碳纤维、e v a 改性沥青碳纤维和h b p a e 改性沥青碳纤维。由于h b p a e 和e v a 乳液政性的沥青碳纤维表面粗糙、表面能 航活性强，在沥青中更容易形成很强的桥接和加筋作用，如图41 所示，同时 沥青被改性沥青碳纤维吸附后，纤维表面的政性剂使沥青的粘度增大，故改性沥 青碳纤维沥青胶浆的抗剪强度增大幅度较大。右棉纤维和涤纶纤维虽然比表面税 大，吸附沥青多，但它们较细较短，且纤维长短小一，对沥青的加筋能力较弱， 故它们的抗剪切能力较沥青碳纤维要茇，但均比原始沥青好。由以上结果町知， 未改性沥青碳纤维即可增强沥青的抗剪切强度，而利用e v a 乳液和t l b p a e 改性 后的沥青碳纤维由f 其表面能高，其加筋作用明显，对抗剪切性能提高明显。 图4i 纤维在沥青中的桥接加筋作用 f i 9 4 1t h eb r i d g ea n ds t e e l i n g f u n c t i o no f t h e f i b e r s i n 血ec o l c l e l e 济南大学硕上学位论文 4 3 2 3 沥青碳纤维在沥青胶浆中的拉拔过程 表4 6 沥青碳纤维在沥青中的拉拔强度 t a b l e4 6t e n s i l es t r e n g t ho fp i t c hc a r b o nf i b e r si nt h eb i t u m e n 由表4 6 可以看出，沥青碳纤维由超支化聚酰胺酯改性剂表面处理后，在相 同的实验条件下，纤维拉出强度明显增大，与未改性沥青碳纤维相比，结合强度 提高了4 9 1 8 ，这说明处理后的沥青碳纤维与沥青的粘结强度提高显著。其原 因一方面是用改性剂改性的沥青碳纤维表面较粗糙，有助于沥青碳纤维与沥青的 粘合，提高了纤维与沥青的剪切力；另一方面表面光滑的沥青碳纤维被带活性基 团的聚合物改性剂包裹改性后，活性基团残留在纤维的最外表，当这种改性后的 沥青碳纤维掺入沥青中后，最外表的活性基团可以与沥青发生化学反应，形成新 的化学键，起到了增加沥青碳纤维在沥青中的握裹力的作用。 岔 也 墨 胃 n 丽 m 价 c i - - t e n s i l es t r a i n ( ) 图4 2 改性沥青碳纤维在沥青中拔出时的应力应变曲线 f i g4 2t h es t r e s s - s t r a i nc u r v e so f m o d i f i e df i b e rp u l l e do u t o ft h ec o n c r e t e 3 9 短切沥青碳纤维在沥青混凝卜路面的应用研究 由图4 2 可以明显看出，超支化聚酰胺酯改性沥青碳纤维单丝拔出试验应力 一应变曲线分为三个阶段：a b 为线性增长阶段，在此过程中，沥青碳纤维受到 拉伸载荷的作用，应力一应变呈弹性变化，直到载荷达到临界力；b c 为回落和振 荡阶段，载荷达到临界力时，纤维和沥青基体间物理吸附形成的结合键开始解离， 直至键全部解离。这时由于拉紧的纤维突然放松，载荷有明显的回落，随后出现 的振荡阶段是从键破坏转变到纤维拔出，是纤维和基体间存在粘阻和滑动共同作 用的结果；c d 为纤维拔出阶段，此后受载的沥青碳纤维在一定的摩擦阻力下被 拔出来。由此可以看出，沥青混凝土中通过加入沥青碳纤维可以在一定的即时拉 力下有效的阻止混凝土的断裂，充分发挥沥青碳纤维自身的优异性能达到提高混 凝土力学强度的目的。 4 4 结论 ( 1 ) 石棉纤维这种细纤维对沥青的吸附较强，对沥青的稳定作用较好，但 其抗剪性能较低；涤纶纤维由于其较短小而且不耐高温等性能，虽然对沥青混凝 土有一定的增强稳固作用，但和其它几种纤维相比相差较大；而沥青碳纤维具有 一系列优异性能，对沥青的吸附能力特别强，可以很好的在沥青中发挥其性能， 而通过不同改性剂改性后的纤维可以进一步提高沥青碳纤维在沥青中的握裹力， 达到增强沥青性能的目的。 ( 2 ) 沥青碳纤维对沥青高温性能的改善，主要是通过对沥青的稳定作用和加 筋作用实现的。但二者很难统一，一般h b p a e 由于其黏度较大加筋作用相对明 显，而e v a 乳液改性的沥青碳纤维对沥青的稳定作用突出，所以沥青碳纤维对 高温性能的改善效果应视此两方面的综合作用而定。 ( 3 ) 根据实际试验操作，因沥青碳纤维对沥青有很好的吸附作用，掺加沥青 碳纤维的沥青混凝土最佳沥青用量将有所增大，提高的幅度同沥青碳纤维的表面 特征、组成结构、物化性质、分散程度和掺量等因素有关。 济南大学硕士学位论文 第五章短切沥青碳纤维沥青混凝土的马歇尔配比实验 5 1实验方案 短切沥青碳纤维的加入会影响沥青的路用性能，同时又对混凝土有着加筋与 阻裂的作用。沥青碳纤维的类型、长度、在混凝土中的质量百分比以及纤维的分 散特性均对短切沥青碳纤维沥青混凝土有着明显影响。因此本论文将讨论短切沥 青碳纤维对沥青混凝土马歇尔结果的影响，考察马歇尔指标的变化情况，选择最 佳的短切沥青碳纤维掺加沥青混凝土的配比，为指导短切沥青碳纤维混凝土设计 和施工提供依据。 本论文采用了中海沥青公司的重交a h 5 0 号沥青，未改性短切沥青碳纤维 及e v a 乳液改性沥青碳纤维。石料采用山东嘉祥鑫浩石灰岩，山东昌邑河砂， 石灰岩矿粉，其中粗细集料和矿粉的技术性能如表5 1 和5 2 所示，矿料集配采 用了a c 1 6 i 标准，经逐级筛分回配后得到。 表5 1 粗细集料技术指标 t a b l e5 1t h ek e yt e c h n i q u e si n d e xf o ra g g r e g a t e 表5 2 矿粉技术指标 t a b l e 5 2t h ek e yt e c h n i q u e si n d e xf o rm i n e r a la g g r e g a t e s 矿粉石灰岩8 0 9 7 5 k n 的标准对短切沥青碳纤维 增强的沥青混凝土而言完全可以达到。本实验最佳配比条件下的稳定度达到了 2 3 4 2 k n ，足足高出了规范要求2 1 2 。本实验样品流值稳定控制在3 - 4 r a m 范围 内，空隙率控制在4 左右，v f a 控制在7 0 0 8 ，较好的满足了规范要求。 6 3 2 短切沥青碳纤维增强混凝土马歇尔技术指标讨论 通过马歇尔配比实验可以看出短切沥青碳纤维掺量的大小、长度以及不同的 改性种类均对沥青混凝土的最佳沥青用量、密度、稳定度、流值以及孔隙率( v f a ) 和矿料间隙率( v m a ) 产生一定得影响。图6 2 和6 3 分别绘出了短切沥青碳纤维 沥青混凝土和普通沥青混凝土马歇尔稳定度、流值、孔隙率和矿料间隙率曲线的 比较，其中曲线为纤维沥青混凝土的曲线，为普通沥青混凝土的曲线。 5 2 济南大学硕j ：学位论文 6 3 2 1 最佳沥青用量 随着短切沥青碳纤维掺量和长度的增加，将引起沥青混凝土的最佳沥青用 量的增大，这是因为沥青碳纤维的加入如同填料一样，需要更多的沥青包裹在纤 维表面，纤维含量越多，纤维的比表面越大，吸附沥青也越多，最佳沥青用量也 增加；同时纤维掺量越少，其分散性越好，但过量的纤维不易分散，反而会结团 成束，使其总比表面积不增加或增加不大，因而吸附沥青也不一定多，最佳沥青 用量也就不再增加。而短的沥青碳纤维分散性较好，相同纤维掺量时，短纤维不 易结团，其有效比表面积反而比长纤维的大，因此沥青增加量高于长纤维。 6 3 2 2 密度 短切沥青碳纤维的相对密度比矿料的密度小得多，体积也较疏松，纤维加入 沥青混凝土后要占用一定的空间，因此在相同的击实功下，沥青混凝土的密度值 反而会下降，同时沥青碳纤维有弹性传递作用，将击实功转化的弹性能及时传递 开，使密实过程更加困难，所以其密实度均要下降，空隙率要增大，但变化幅度 不是太明显，因此增加沥青碳纤维不会影响到沥青混凝土的体积系数。 6 3 2 3 稳定度和流值 图6 2 沥青用量对混凝土稳定度和流值的影响 f i g6 2t h ee f f e c to f t h ea s p h a l ta m o u n tt ot h em l s s t a b i l i z a t i o na n df l o wv a l u e 马歇尔稳定度是马歇尔标准试件在6 0 。c 和加载速率5 0 m m m i n 条件下，沿 试件直径方向垂直破坏荷载的最大值，而流值是该最大破坏荷载时试件的垂直变 5 3 短切沥青碳纤维在沥青混凝十路而的应用研究 形。前者反映了试件抗破坏性能，而后者一定程度上可以表明试件中自由沥青的 含量和试件的抗变形能力。当短切沥青碳纤维沥青混凝土的沥青用量较低时，因 缺少足够的沥青包裹矿料和纤维，使混凝土变得较干涩，稳定度增加值较低；当 沥青用量接近于短切沥青碳纤维该掺量下的最佳沥青用量时，纤维的加强作用得 以明显体现，其稳定度值增长迅速，比普通沥青混凝土的大，试验中发现其最大 值多出现在最佳沥青用量处；当沥青用量进一步增大，稳定度值下降。 根据复合材料强度分析的宏观和微观层次分析方法：宏观上，均匀分散的沥 青碳纤维沥青混凝土是连续而均匀的，但微观上看，则往往是既不连续也不均质 的，尤其在纤维分散不均的情况下，短切沥青碳纤维的加入往往会导致混凝土中 “强度弱点”的涨落。纤维在混凝土中又有不同程度的桥接加筋和阻裂性能，所 以，短切沥青碳纤维加入后会增强混凝土的抗破坏能力，稳定度的变化主要应视 其加强作用与“强度弱点”的削弱作用的综合性能而定【6 】。短切沥青碳纤维掺量 较小时，分散较均匀，且有纤维加强作用，稳定度也有所增加；但较大的纤维掺 量下，其分散性受限制，故稳定度值随纤维掺量增加而增加到一定值后反而有所 降低。而改性后的短切沥青碳纤维增加幅度最大，这是由于沥青碳纤维更易搭桥 衔接，传递和分散荷载能力强，且其长径比较大，故稳定度值也较高。 流值同沥青用量关系密切，尤其是当荷载达到破坏荷载后，其变形值能稳 定在某一固定值时的持久性更能体现沥青混凝土的抗变形特性。短切沥青碳纤维 的加入可有效增强混凝土的抗变形能力。试验中，我们观察到没有短切沥青碳纤 维的混凝土均较脆，在最大破坏荷载时立即劈开或松散：而短切沥青碳纤维混凝 土试件在最大破坏荷载时，若不仔细分辩，似乎仍保持完好，且可见到其裂缝面 上有部分纤维被拔出。 济南大学硕上学位论文 6 3 2 4 矿料间隙率( v f a ) 和沥青饱和度( v m a ) 6 4 n 图6 3 沥青用量对混凝土v f a 和v m a 的影响 f i g6 3t h ee f f e c to ft h ea s p h a l ta m o u n tt ov f aa n dv m a 短切沥青碳纤维在掺量较小时，拌和都较均匀，而沥青用量比普通混凝土的 有所增加，在高的沥青用量下，其纤维沥青胶浆可充分充填到矿料间，使得剩余 孔隙率比高掺量的要小；相反在高的短切沥青碳纤维掺量下，因拌和均匀性受限， 纤维结团成束后占有更大空间，使矿料相互接触受阻，尽管沥青用量也增大，但 仍存留下较大的空隙。短切沥青碳纤维加入均要占一定空间，且在纤维的弹性效 应作用下，其密实过程受到阻碍，故纤维加入后空隙率均有增大趋势。对于沥青 路面而言，混凝土空隙率过小，在夏季高温时易出现永久变形和油斑【8 4 】，实践表 明空隙率 3 时，易产生高温变形破坏；当空隙率过大时，增加了沥青老化的概 率，因此空隙率应控制在一定范围内。 沥青饱和度( v m a ) 随着短切碳纤维的加入变化不大，尽管在相同的沥青用量 下空隙率增加，但沥青的饱和度变化不大。这表明短切沥青碳纤维加入后，有效 沥青薄厚度有所增大，这有利于混凝土的低温和耐久性能。 6 3 3 短切沥青碳纤维增强沥青混凝土三点弯曲试验 5 5 短切沥青碳纤维在沥青混凝十路面的应用研究 表6 2 未改性短切沥青碳纤维增强沥青混凝土三点抗折实验结果 t a b l e6 2t h ea n a l y s i so ft h et h r e e - p o i n tt e n s i l es t r e n g t hf o rc o n c r e t em i x e dw i t ho r i g i n a l s h o r tc u tp i t c hc a r b o nf i b e r s 至 i l 薹 l 量 董 l l 无纤维 f l e xt e s t f 岫曲 hc l b d f l e xt e s t a f l e x t e s t f 3 m o u m 曲瞳nc ，” c f l e xt o s t r - 悖m t j n 【 e 一芦毫ssa目”xo芷 一，l毛薯2葛ej葛正 罡苫一-暑葛皂吾暑匠 济南大学硕十学位论文 重 墓 耋 f l e xt e s t f i m m m 啪h f 图6 4 未改性短切沥青碳纤维增强混凝土三点抗折实验压力变形曲线 f i g6 4t h ef l e x u r e s t r a i nc u r v eo ft h et h r e e p o i n tt e n s i l es t r e n g t hf o rc o n c r e t em i x e dw i t ho r i g i n a l s h o r tc u tp i t c hc a r b o nf i b e r s 伯 1 4 0 0 1 2 金1 0 0 0 刁8 0 0 6 4 0 0 2 o 1234567 试样号 图6 5 未改性短切沥青碳纤维不同配比混凝土最大抗弯强度对比 f i g6 5t h ec o n t r a s to ft h et e n s i l es t r e n g t ho fd i f f e r e n tm i x i n gp r o p o r t i o ni no r i g i n a ls h o r tc u t p i t c hc a r b o nf i b e r se x p e r i m e n t 5 7 短切沥青碳纤维在沥青混凝士路面的戍用研究 1234587 试样号 图6 6 未改性短切沥青碳纤维不同配比混凝土最大压力对比 f i g6 6t h ec o n t r a s to ft h ep r e s s u r eo fd i f f e r e n tm i x i n gp r o p o r t i o ni no r i g i n a ls h o r tc u tp i t c h c a r b o nf i b e r se x p e r i m e n t 枷 1 5 0 1 o 3 4 试样号 图6 7 未改性短切沥青碳纤维不同配比混凝土弯曲模量对比 f i g6 7t h ec o n t r a s to ft h eb e n d i n gm o d u l u so fd i f f e r e n tm i x i n gp r o p o r t i o ni no r i g i n a ls h o r tc u t p i t c hc a r b o nf i b e r se x p e r i m e n t 表6 3 改性短切沥青碳纤维增强沥青混凝土三点抗折实验结果 t a b l e6 3t h ea n a l y s i so f t h et h r e ep o i n t st e n s i l es t r e n g t hf o rc o n c r e t em i x e dw i t h m o d i f i e ds h o r t c u tp i t c hc a r b o nf i b e r s 5 8 驺 ：。 加 侣 帖 富i v05l 垒vninpow x a _ 【t 济南大学硕士学位论文 f l e xt e a t 无纤维 f l e x m b l f k d xt e s t 一 z34 d l f l e xt e 8 t f i 钗t e s t a l f l e xt e s t f 咖a a a i n c l f l a x t 髓l f l e 1 图6 8 改性短切沥青碳纤维增强混凝土三点抗折实验压力变形曲线 f i g6 8t h ef l e x u r e s t r a i nc u r v eo ft h et h r e ep o i n t st e n s i l es t r e n g t hf o rc o n c r e t em i x e dw i t h m o d i f i e ds h o r tc u tp i t c hc a r b o nf i b e r s 享舌l芒暑星 cd舌t三芒ac idt5暑e，差 己舌i暑el 暮置一盲芒己墨c ct毫霉暑el oid舌t暑暑jk 短切沥青碳纤维存沥青混凝十路面的应用研究 z v o 一 l 23456 试样号 图6 9 改性短切沥青碳纤维不同配比混凝土最大抗弯强度对比 f i g6 9t h ec o n t r a s to f t h et e n s i l es t r e n g t ho f d i f f e r e n tm i x i n gp r o p o r t i o ni nm o d i f i e ds h o r tc u t p i t c hc a r b o nf i b e r se x p e r i m e n t 234567 试样号 图6 1 0 改性短切沥青碳纤维不同配比混凝土最大压力对比 f i g6 10t h ec o n t r a s to ft h ep r e s s u r eo fd i f f e r e n tm i x i n gp r o p o r t i o ni nm o d i f i e ds h o r tc u tp i t c h c a r b o nf i b e r se x p e r i m e n t 啪 啪 啪 枷 狮 咖 湖 啪 伽 撕 o 3 2 1 o 厶i vkp。ni童 济南大学硕士学位论文 星 、， 呈 弓 皇 至 2 2 5 0 1 0 0 5 0 3 456 7 试样号 图6 1l 改性短切沥青碳纤维不同配比混凝土弯曲模量对比 f i g6 11t h ec o n t r a s to ft h eb e n d i n gm o d u l u so fd i f f e r e n tm i x i n gp r o p o r t i o ni nm o d i f i e ds h o r tc u t 2 0 1 8 1 6 1 柏0 z 1 2 0 0 勺 髫1 0 0 0 蒿8 0 0 = 6 4 2 p i t c hc a r b