研究论文~聚酯纤维在机场道面薄层罩面沥青混合料中的应用.doc

泛美施土木工程技术有限公司聚酯纤维在机场道面薄层罩面沥青混合料中的应用一、概述机场道面在使用过程中承受机轮荷载、机场专用车辆荷载、飞机产生的高温高速喷气流，以及自然界冷热、干湿、冻融等因素的作用，严厉的气候条件和使用条件对于机场道面来说是非常不利的。通常在短短的几年时间内混凝土道面就会出现裂缝或表面松散。特别在我国，机场交通流量的迅猛增长也是过早发生混凝土道面表面磨损、光滑、断角及断板等的原因之一。 一般情况下，解决方案是把原道面缺陷处理后，然后再覆盖一层薄层沥青混凝土。目前国内外，薄层罩面分为两种：薄层沥青路面 这种路面厚34cm，作为面层，其骨料最大粒径为14mm、10mm、6mm，并根据用途分别采用连续级配和间断级配。这种路面致密截水性较好，抗疲劳性和耐候性好，沥青量为6.6一7.8。这种路面适用于开裂面层的罩面和用作混凝土桥面板上的路面。由于沥青的含量多，所以可以抑制开裂的发展并大大延迟裂缝再发生的时间。另外，由于是超高密度、完全非透水型的路面，所以也可以适用于停车场、储水池、堤坝等。 超薄层沥青路面 超薄罩面层是一种23cm厚的沥青混凝土磨耗层。这种技术仅适用于坚固的路基。虽然它比一股的磨耗层薄，但它能承受重交通的持续冲击、温度的剧烈变化及防止雨水侵入路基。此种路面采用强力粘结层进行施工，骨料最大粒径为10mm的间断级配式路面。沥青量为6.3一6.8。法国从1983年开始铺筑纤维沥青超薄层路面，目前己铺筑了2000万m2。粘结层使这种路面具有粘结性和非透水性。利用超薄层路面可以获得良好的平整度和抗滑性。这种路面在各种交通条件下还没产生车辙。为了保证飞机在任何气候条件下都能正常使用，薄层沥青混凝土罩面应具有良好的性能，主要包括以下几个方面：（1）防反射裂缝的能力 根据国内外研究结果，水泥混凝土路面沥青加罩层的反射裂缝主要来源于两部分，即水泥路面接缝处的应力集中和沥青加罩层底部的弯拉应力。在沥青罩面层与水泥砼路面结合良好的前提下，水泥路面接缝处应力集中使得裂缝直接扩展进入罩面层，而应力集中来源于温度变化、使用荷载及两者的综合作用。反射裂缝出现的另一个原因就是在使用荷载的作用下使罩面层在接缝处产生最大的弯沉，相应产生最大的应力，从而使接缝顶部的沥青罩面层成为反射裂缝产生的最可能部位。影响因素主要包括外界因素和内在因素。外界因素包括温度和行车荷载；内在因素指路面结构本身的特征，主要包括罩面层与水泥路面之间的结合能力、沥青混凝土的抗弯拉强度、罩面层厚度和水泥路面的传荷能力等等。（2）耐磨性在机轮的摩擦、冲击下，沥青混凝土道面表面会发生磨耗、甚至剥落。长期的磨耗不仅减薄其厚度、降低道面的整体强度，而且会降低混凝土表面的平整、抗滑性，当引起集料松散时，还会对飞机的安全行使构成严重危害。沥青混凝土的耐磨性能与沥青混合料集料的级配、硬度和沥青的种类以及沥青混合料的密实度等有关。（3）良好的气候稳定性道面袒露与自然环境中，在水分和温度的影响下，其强度和刚度以及其他使用品质会随着气候条件的变化而发生波动或下降。耐冻性能不良的沥青混合料在冻融交替作用下会发生破坏。沥青混合料孔隙率大，可能存留的水分也多，对道面的耐冻性不利。（4）耐久性沥青混凝土道面在其使用年限内，受轮载和气候因素长期、反复的作用，其结构整体或某一组成部分会逐渐出现疲劳损坏和塑性变形积累。因此，沥青罩面设计必须保证道面结构在其使用年限内保持较高的抗疲劳和抗塑性变形能力，即耐久性。为了提高机场薄层罩面的耐久性，延长使用寿命，减少平时的维修工作量、节省维护费用，谋求机场道面建设一次性投资的高效益，聚酯纤维加强沥青混合料薄层罩面是解决这些问题的最佳方案之一。二、聚酯纤维解决方案聚酯纤维是最常见的沥青路用纤维，在美国、加拿大等国已用于机场道面、桥面铺装、受费站的沥青混合料中，以改善沥青路面的高温性能、疲劳耐久性、低温抗裂性和防反射裂缝能力。1 聚酯纤维加强沥青混合料的作用机理（1）吸附作用纤维直径一般小于20m，有很大的比表面积，每克纤维提供的表面积可达数平方米之多。纤维分散在沥青中，其巨大的表面积成为浸润界面。在界面层中，沥青与纤维之间会产生物理和化学作用，使沥青单分子排列在纤维表面，形成结合力牢固的结构沥青界面层。结构沥青比界面层以外的自由沥青黏结性强。与此同时，由于纤维及其周围的结构沥青一起裹覆在集料表面，使集料表面厚的沥青膜增大，同普通密级配沥青混合料相比，沥青膜约增厚65%110%。集料表面的沥青膜，有利于减缓沥青老化的速度，延长路面使用寿命。（2）稳定作用纵横交错的纤维所吸附的沥青，增大了结构沥青的比例，减少了自由沥青，使沥青砼的粘滞性增强，软化点提高，其提高的程度比传统沥青混合料中沥青砂浆的软化点要提高20以上，从而使沥青混合料温度稳定性提高。（3）加劲作用沥青砼中纤维是三维随机分布的，且由于数量众多，故在混合料广为分布，这些纤维对混合料的开裂起到阻滞作用，从而提高沥青路面裂纹的自愈能力，减少裂缝的出现。此外，纤维对沥青还具有增韧作用，能够增强对集料顺粒的裹握力，保证沥青路面的整体性面不易松散。2 聚酯纤维对沥青混凝土性能的改善作用通过沥青混凝土掺加聚酯纤维的一些工程实例和试验结果的分析，显示聚酯纤维对改善路面路用性能有其良好的效果。我们把有关试验结果分析汇总如下：2.1 高温性能的改善马歇尔稳定度可在一定程度上反映出沥青混合料高温稳定性能。把掺加纤维和未掺加纤维两种沥青混合料（混合料的矿料级配采用级配AC-16 I，沥青采用兰炼-90沥青）取样作成试件，试件成型前将冷混合料烘至150 160，结果见表1，加入纤维后沥青混合料的稳定度提高了7%左右，说明高温性能有所改善。表 1 AC-16I 沥青混凝土加入不同纤维马歇尔试验结果纤维类型最佳沥青用量密度（g/cm3)空隙率矿料空隙率饱和度稳定度(KN)流值（0.1mm)未加5.30%2.4153.35%15.40%78.30%9.9122.5聚酯纤维5.50%2.4083.33%15.80%78.90%11.0433.6抗车辙性能。采用日本（DAWIA）公司的浸水车辙仪。通过试验可取得一系列试验数椐，如车辙深度、动稳定度。表 2 纤维沥青混凝土车辙试验结果纤维类型AC-13IAC-16I未加聚酯纤维未加聚酯纤维动稳定度（次/mm)40412356301400试验结果表明，掺加纤维的车辙稳定度约提高了20%50%，尤其是在后期，加入纤维的试件抗车辙性能突显，这是因为车辙的形成由两个方面的原因构成：（1）沥青层本身的压密，主要发生在初期。（2）后期车辙的发生主要由于沥青混合料的侧向流动变形，而侧向流动变形的大小与矿料的级配，沥青性质及用量等有关。加入纤维与未掺加纤维对混合料的初期压密变形影响不大，而对后期的侧向流动变形有较大的影响。每吨混合料加入0.2%的纤维后，大约每立方米有超过18亿根分离的纤维吸附及稳定沥青，使沥青的粘稠度和粘聚力增大，同时由于纵横交错的加筋作用，使得混合料具有较高强度。从动稳定结果可以看出，纤维可使混合料的高温抗车辙性能改善。另外，在试验过程中可以观察到未加纤维的混合料试件，在经过一定的碾压次数后，轮两侧出现较大的隆起，而加入纤维后，则不明显。试验结果表明，掺入纤维后抗变形能力大大提高。河北石黄高速公路掺加聚酯纤维路段的路面抗车辙性能明显优于SMA路段。2.2 低温抗裂性能的改善由于气候寒冷或者气温的鄹降，会使沥青路面由于收缩或者来不及应力松弛而产生开裂。沥青混合料在低温状况下保持足够的韧性是防止路面开裂的根本措施。在沥青混合料低温评价方面，主要通过等应变加载的破坏试验（间接拉伸试验、弯曲试验、压缩试验），直接拉伸试验，弯曲拉伸蠕变试验，受限试件温度应力试验，三点弯曲J积分试验，C*积分试验，收缩系数试验，应力松弛试验等。按照我国1999年颁布实施的改性沥青路面施工技术规范（JTJ036-98）提出的沥青混合料低温性能评价方法低温弯曲破坏应变试验评价沥青混合料的低温抗裂性能。采用美国的MTS材料试验机，它是一套精密的闭环伺服液压系统，可通过微电脑板对试验过程进行控制，试验结果是由计算机自动采集。先进行低温（-10）弯曲破坏应变试验。表3 低温弯曲试验种类最大破坏荷载（N）抗弯拉强度（MPa）最大弯拉应变（10-6）劲度模量（MPa）不加纤维1036.028.457316983805.26加纤维1097.798.961522335308.78提高（%）6.06.031.539.5由试验结果可知掺加纤维的极限拉应变为966.8，抗拉强度是11.04MPa，而未掺入纤维者分为940.8和9.55MPa掺加纤维后，极限拉应变约增大2.8%，抗拉强度约增大15%。再进行低温（0）弯曲蠕变试验，按照我国2000年颁布实施的公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ-052-2000）中的方法进行。试验前，试件在0，环境箱中保温1小时。表4 低温弯曲儒变试验种类加载大小（N）儒变弯拉应力（MPa）弯曲儒变速率（1/s/MPa）(10-6)不加纤维111.0340.90640.391加纤维136.4651.1141.033提高（%）22.9164.2试验结果显示掺加纤维的蠕变速率平均为100.391（E-8），而未掺加者平均为66.6763（E-8），即掺加纤维后，其蠕变速率约可增大50%。这说明掺加纤维后的沥青混凝土路面不易产生温缩裂缝，低温抗裂性能增强。从上面试验结果看，加入聚酯纤维的沥青混合料的低温抗裂性能高于普通的沥青混合料，其原因是混合料内部具有大量纵横交错、均匀分布（大约每立方米有超过9亿根聚酯纤维）的聚酯纤维，且其延伸率达50%，使其具有良好的抗拉、抗变形能力；另外，在掺入聚酯纤维后沥青混合料的弹性得到很好地提高，以及沥青用量的增大，使纤维沥青混合料在40的低温下仍然保持柔韧性和较高的抗拉强度，使混合料的低温抗裂性能增强，能有效地抵抗应力，减少温缩裂缝的产生以及可以防止反射裂缝的发展。2.3 水稳性的改善按部颁标准公路工程沥青及沥青混合料试验规程的规定，采用残留稳定度试验来评价混合料的水稳定性，把掺加纤维和未掺加纤维两种沥青混合料（混合料的矿料级配采用级配AC-13 I、AC-16I、AC-20I，沥青采用兰炼-90沥青）取样作成试件，结果见表- ，从马歇尔试验结果看，掺加纤维后沥青混凝土残留稳定度比不掺加纤维的原样沥青混凝土残留稳定度值得提高4%8%，这说明掺加纤维后，沥青混凝土的水稳性得到较大改善，水稳性提高了。表 5 不同级配和纤维的水稳定性试验结果纤维类型类型AC-20IAC-16IAC-13I未加纤维加纤维未加纤维加纤维未加纤维加纤维聚酯纤维8591.289.192.391.296.5(1)加入纤维对沥青混凝土的水稳性有改善作用，虽加入纤维后沥青混凝土的空隙率有所增加，但同时也是由于纤维的加入粘附在矿料的沥青膜变厚，抗水损害能力增强。(2)矿料级配越细，加入纤维后，水稳性的改善幅度越大，主要是由于细矿料比表面大，与沥青的相互作用强，再加上沥青用量大，不易被水所剥离。2.4 抗疲劳性能的改善混合料的矿料级配采用级配AC-16I，沥青采用兰炼-90沥青。按照Marshall法确定出最佳沥青用量为4.5%。聚酯纤维用量为沥青混合料总重的0.225%。本试验采用传统的疲劳理论方法研究沥青改性前后的混合料特性的差别，英国诺丁汉大学教授佩尔（P.S.Pell）和美国加利福尼亚大学教授莫尼史密斯（C.L.Monismith）等人通过大量室内试验，经回归分析整理的出关于控制力和控制应变加载模式的疲劳寿命公式： 式中：Nf疲劳寿命，即试件破坏时的加载循环次数（次）；k、c、n、m试验常数，受沥青混合料的成分和特性以及试验温度、加载方式等的影响；采用应力控制加载模式时，对试件每次施加的常量应力最大幅值；采用应变控制加载模式时，对试件每次施加的常量应变最大幅值。本试验采用从美国进口的MTS材料试验机，它是一套精密的闭环伺服液压系统，可通过微程序板对试验过程进行控制，试验结果由计算机自动采集。试验结果见表6，从试验结果可以看出，在相同应力比下，加入聚酯纤维后，混合料的疲劳寿命增加。原因是均匀分布的纤维在沥青混合料中的加筋作用，劲度摸量增加，疲劳特性改善。表6 沥青混合料的疲劳试验结果 混合料次 数应力比 兰炼-100#兰炼-100#+聚酯纤维0.1557805887500.2020010301190.258812130450.30465465900.4016012300K=56.30 n=3.65K=93.20 n=3.56疲劳特性参数K，反映了疲劳曲线的高低。K越大，则疲劳寿命越长，而疲劳坡度参数n反映了出应力比变化情况。纤维加入前后，n值变化不大，而K值有了增加，这同样说明混合料的疲劳耐久性改善。2.5 抗反射裂缝能力为了探讨加美国路用聚酯纤维增强沥青混凝土对抑制半刚性基层沥青路面反射裂缝的作用结果，我们在西安空军工程学院五系柔性道面实验室，进行了水泥混凝土路面上7cm厚沥青混凝土加铺裂缝开展的足尺疲劳试验。试验在反射裂缝疲劳试验台架上进行。该试验台架的构造如图1所示。图中A、B两块板是水泥混凝土板，其中A板为固定板，B板可沿水平方向移动。两板间的缝隙用来模拟板刚性基层的裂缝。在A、B两板的上面按现场施工条件铺筑沥青混凝加铺层，用压路机压实成型。试验台架如图2由动力系统和实验系统两部分组成。试验时，动力系统在B板上施加水平的等幅交变荷载P，使A、B两板间的缝隙按一定的频率和一定的相对位移张开和闭合，以模拟半刚性基层的裂缝由于温度变化引起伸缩产生的水平相对位移。施加的等幅交荷载如图3所示。为模拟低温条件下路面结构的工作环境，疲劳试验台加有降温设备。该设备安装仪态制冷量为7500大卡的压缩机和冷风机，可使疲劳试验台架的环境温度降到-20。试验时，将其罩在疲劳试验台架上，使路面结构的环境温度降到要求的低温状态，以获取低温条件下沥青混凝愈加铺层疲劳特性的数据。原材料由西安市高速公路管理处提供，碎石(1020mm)产地蓝田，碎石(510mm)和石屑产地为韩峪，沥青为韩国SKAH-90#沥青，混合料采用AC-16I型，按照碎石(1020mm)31%、碎石(510mm)27%、砂子26%、石屑10%、矿粉6%的比例配合而成，油石比5.2%，纤维按照混合料总重0.225%的比例加入。试验开始，使接缝水平位移稳定在1mm，调整加载频率，使其稳定在4次/分，试验正式开始。通过降温设备的观察镜，先观察是否产生首次裂缝，一观察到首次裂缝，记录荷载作用次数，并取下降温罩；以便于随时将出现裂缝时的荷载疲劳作用次数标绘在裂缝扩展的位置上。由于低温下荷载疲劳作用次数较少，实验过程不长，取下降温罩后虽然路表面温度略有升高，但仍在0左右，路面中面温度和表面温度则保持不变。实验中随着疲劳荷载作用次数的增加，接缝水平位移也增大。到裂缝完全贯通时实验停止。在直接加铺原沥青混凝土实验中，沥青混凝土加载67次时出现首次裂缝，加载100次时裂缝上升到顶部，加载154次时裂缝贯通。加铺美国路用聚酯纤维沥青混凝土实验，沥青混凝土加载112次时出现首次裂缝，加载131次时裂缝上升到顶部，加载498次时裂缝关贯通。试验结果显示，加入美国路用聚酯纤维后，裂缝有所扩展，在一定程度上降低了接缝处的应力集中现象，使疲劳载荷作用次数比直接加铺时提高。加入纤维后，纤维均匀且以多向丝样分布于混合料中，按照混合料总重0.225%的比例加入纤维，大约每立方米的沥青混合料中有超过18亿根分离的美国路用PE纤维，为混合料提供了巨大的内聚力，对混合料起到“桥接”和“加筋”作用，阻碍了裂缝的产生，提高了混凝土的抗拉强度，从而延缓了反射裂缝的产生。2.6 关于纤维对不同矿料级配沥青混合料性能影响程度说明以上大多数试验数据是根据普通沥青混合料级配而得到的，但薄层罩面一般所用的混合料矿料级配较细。矿料级配越细，加入纤维后，水稳性的改善幅度越大，主要是由于细矿料比表面大，与沥青的相互作用强，再加上沥青用量大，不易被水所剥离。较细级配的低温性能优于较粗级配，原因是沥青混合料是一种非均质材料，实际上，路面产生的开裂(低温缩裂、疲劳开裂)也就是从内部潜在非均质的微裂缝扩展开始的，而这些微裂缝是由于路面结构内部由于材料、施工等原因而产生的。在交通荷载或温度应力作用下，在裂缝的尖端会产生高达数倍的应力集中，并使裂纹产生和扩展。颗粒越粗，这种不均质的可能性就越大，裂缝产生的几率就越大，另外裂纹面的延伸总是沿着一定的介质向前发展的，高模量的粗矿料与低模量的周围介质形成的界面为裂纹的扩展提供了一个通道，矿料表面越光，裂纹扩展就越快。因此，聚酯纤维加入到更细的用作薄层罩面的骨料中将更能有效地发挥聚酯纤维加强沥青混合料的效果。三、聚酯纤维加强沥青混凝土在机场道面薄层罩面应用中的施工工艺1 施工前的准备工作1.1 接缝处理施工前首先检查原有水泥混凝土路面的接缝是否完好。若缝内无填缝料或填缝料不满，先清除缝内杂物，再用水泥混凝土路面填缝料填满。如果缝边缘混凝土已碎裂，将碎粒清除后灌缝。填缝料采用聚氨脂