长安大学-纤维沥青加筋效果评价及设备研发(精简版).doc

第六届全国大学生交通科技大赛作品论文作品名称： 纤维沥青加筋效果评价及设备研发 学校全称： 长安大学 申报者姓名：马宝富 任君平 强耀锋 单东辉 陈攻宇类别：交通工程、交通运输类 道路桥梁与渡河工程（道路、桥梁、隧道）或交通土建（道路与桥梁） 航运技术、飞行技术类纤维沥青加筋效果评价及设备研发设计者：马宝富 任君平 强耀锋 单东辉 陈攻宇指导教师：张超（长安大学 公路学院 陕西 西安 710064）摘要 纤维是一种新型路用材料，添加纤维的沥青混合料具有很好的路用效果，能够全面改善沥青路面的各项性能指标，从而提高道路服务水平、延长道路使用寿命、减少频繁修筑与养护带来的大量资金投入和建筑垃圾，是道路领域促进可持续发展的一项有效措施，大范围应用已成必然。然而目前国内外对纤维应用效果的研究和机理分析却很少，这就对充分高效地利用纤维改善路面性能、减少建筑垃圾、节约资源产生了很大的限制。本文以木质素纤维等几种典型纤维材料为研究对象，使用自主研发的实验设备，分别在纤维掺量等影响因素下对纤维加筋效果进行全面实验和分析，得到以下结论及成果： 1.纤维沥青抗剪强度随纤维掺量增加而增大，当木质素纤维掺量在1.8%-6.8%间隔变化时，沥青抗剪强度增值由8.575KPa递增至26.950KPa；2. 纤维沥青抗剪强度随实验温度的提高而降低，当实验温度在15-25间隔变化时，木质素纤维沥青抗剪强度增值由102.90KPa递减至20.825KPa；3.不同纤维加筋效果存在差异，在相同实验温度下，加入木质素纤维、聚脂纤维、矿物纤维、复合纤维的沥青抗剪强度增值分别为19.600 KPa、55.125 KPa、62.475KPa 、170.275KPa；4. 根据各种纤维的微观结构电镜图，分析不同纤维对沥青力学性能影响差异的原因；5. 提出了纤维掺量与抗剪强度变化关系对照表的制定方法及相关示例，可供设计时直接应用；6.考虑不同纤维的市场价格，提出评价各纤维性价比的方法及公式。 关键字： 纤维沥青 沥青直剪仪 抗剪强度1.研究背景及目的随着改革开放不断推进，公路运输需求强劲增长，公路建设发生了历史性转变，而沥青混凝土一直是被广泛使用且性能优异的一种路面结构。然而随着公路交通状况朝着重载、大流量和渠化明显的方向发展，使得较早铺设的沥青路面出现了使用寿命不足、表面性能低下、车辙与开裂严重等问题。近年来，添加纤维的沥青混合料表现出了众多优点：提高道路服务水平、延长道路使用寿命、减少频繁修筑与养护带来的大量建筑垃圾等，其中纤维起到了无可替代的作用。与传统铺筑材料相比，纤维沥青混合料具有技术高度密集、经济效益高、发展前景好等特点。现在每年路用纤维的使用量达到15000吨，通过纤维改善路用性能、提高经济效益正是可持续发展的设计理念。然而目前针对纤维应用，相关的行业标准从吸油率、热稳定性等7项指标对其性能进行评价，但仍缺乏针对纤维沥青的关键性指标力学性能的评价方法和评价技术。为了弥补国内外空白，我们致力于纤维沥青“加筋”性能评价仪器的研发以及 “加筋”效果对比的实验研究，更深入地了解加纤维沥青的力学性能（包括沥青抗裂性、高温稳定性等），为科学高效地利用纤维沥青提供理论依据，并完善纤维沥青的指标评价体系。同时与此配套的仪器的成功研发能直观地反映纤维沥青在不同掺量、不同纤维种类、不同温度条件情况下力学性能的变化，仪器原理直观、效果明显，并从不同种纤维的性价比入手，评价其性能的优劣，达到物尽其用的目的，响应国家绿色的号召，为推动纤维在工程中的应用发挥积极作用。2.研究过程影响纤维沥青的力学性能有很多因素，最主要的因素有温度、纤维种类和纤维掺量。针对这三个影响因素，我们将加纤维前后沥青的抗剪强度的大小作为评价指标（即通过对纯沥青和纤维沥青的抗剪强度的测定来评价纤维的“加筋”效果），并大致把我们所要研发的仪器分为三大部分：加力部分、剪切部分和测力部分。仪器的设计CAD图纸及成型图如下：图2-1 设备设计图图2-2 设备照片由图直观地显示出了设备的各个组成部分。测力部分通过百分表来检测上下模具错动的相对位移，并借助于应力环把所测位移转化为对抗剪能力的衡量，其由应力环、百分表、基座组成，应力环安置轴线与模具上下部分界线在同一水平线上。剪切部分中水槽用于控制沥青试件的温度，确保沥青试件在规定温度下进行实验。剪切前，转动手轮，直至曲杆、钢球、应力环刚好接触，停止转动；拧紧盖子并拔去固定模具上下部分的销钉；等应变的加力（约5秒/转），由直杆将力传递至水槽并推动水槽运动；由于模具下部通过螺丝固定在水槽底部，因此模具下部将随着水槽一起运动，而模具上部由于应力环的阻碍，将与下部产生相对位移，使沥青试件处于水平剪切状态；加载过程中手轮每转一圈记录一次百分表读数，记录完整后选出读数的最大值，再乘以应力环校正系数即为相应的剪应力值。3.实验过程3.1控制变量法原理：为了研究沥青中不同纤维掺量（以木质素纤维为例）对沥青抗剪强度的影响：控制加载速度、实验温度一定，根据实际工程中的纤维掺量合理调整沥青中纤维掺量进行实验；为了研究不同温度（以木质素纤维为例）对沥青抗剪强度的影响：控制加载速度和纤维掺量一定（以工程中常用掺量为准），而实验温度不同；为了研究不同种类的纤维（选用具有代表性的木质素纤维、聚脂纤维、玄武岩矿物纤维、复合纤维）对沥青抗剪强度的影响：控制实验温度、加载速度、纤维掺量一定，而纤维种类不同。3.2数据分析1）、加载速度恒定，纤维种类、实验温度恒定，纤维掺量不同下图为掺加木质素的沥青在20下，不同掺量对应的百分表最大读数：图3-1：不同纤维掺量下百分表读数比对图由图3-1可看出，在相同的实验温度、纤维种类下，纤维掺量越多，百分表读数越大，纤维沥青的抗剪能力越强，纤维对沥青的“加筋”效果越明显。但纤维掺量不可过多，必须控制在一定范围内。2）、加载速度恒定，纤维种类、纤维掺量恒定，实验温度不同下图为木质素纤维掺量6.8%的沥青，在不同温度下所对应的百分表最大读数：图3-2：不同实验温度下百分表读数比对图由图3-2可看出，纤维种类及掺量不变时，实验温度越高纯沥青与纤维沥青的抗剪强度都越小。温度越低，“加筋”效果体现的越明显，纤维沥青与纯沥青的剪力值差距越大；温度越高，“加筋”效果体现的越差，随着温度进一步升高，纤维沥青与纯沥青抗剪强度趋于相同。3）、加载速度恒定，纤维掺量、实验温度恒定，纤维种类不同下图为20下，沥青在各类纤维掺量6%时所对应的百分表最大读数分析：图3-3：不同纤维种类百分表读数比对图由3-3可看出，在同一实验温度及纤维掺量时，复合纤维相对于纯沥青的百分表读数最大值最大，木质素纤维相对于纯沥青的百分表读数最大值最小。从对沥青的“加筋”效果（抗剪强度）这一指标来看，复合纤维一般是木质素纤维的4倍之多；聚酯纤维与矿物纤维相对于纯沥青的百分表读数最大值较大，从对沥青的“加筋”效果（抗剪强度）这一指标来看，矿物纤维还稍强于聚酯纤维。4）、纤维微观分析以下为矿物纤维、木质素纤维复合纤维的电镜图，放大倍数均为200倍，图中显示的标注长度为200m。 图3-4 木质素纤维电镜图 图3-5 矿物纤维电镜图 图3-6复合纤维电镜图纤维的微观结构特点的不同，表现在宏观上面就是不同纤维对沥青吸附结合能力上的差异。木质素纤维表面粗糙有利于和沥青的粘结，木质素呈缠绕状，质地疏松，且片状居多，其呈絮状的纤维能够吸附更多的沥青主要起到稳定沥青的功能，但其加筋效果不如形成“结构沥青”的矿物纤维的加筋效果明显；矿物纤维呈针状，且实验中的矿物纤维为玄武岩矿物纤维，玄武岩为中性，相对木质素纤维来说，能形成黏度高、粘聚力强的“结构沥青”，对沥青的吸附能力较强；聚酯纤维密度小，相同质量的、纤维聚酯纤维体积大、根数多，改性效果明显；复合纤维因为木质素纤维和聚酯纤维的混合，所以兼具木质素和聚酯纤维的优点，既有缠绕状的纤维也有大量的纤维根数，所以能够更加有效吸附沥青的同时达到更好的加筋效果。4.成果综述4.1 研究成果对交通行业标准的补充对同种纤维而言，在不同掺量下对沥青抗剪强度的影响程度不同。由此，我们依据实验即可制定出不同纤维掺量与沥青抗剪强度增加值对照表。在工程实际中只需查阅此表即可确定出符合设计要求的纤维掺量。 在此，我们以木质素纤维为例制定下表：表4-1 不同木质素掺量与纤维沥青抗剪强度增加值对照表.对不同种纤维而言，综合考虑其密度、市场单价等因素，可求出各种纤维的性价比-，从而对不同种纤维进行横向比较。其中，可定义： 其中， -纤维掺量6%，在20条件下测得的纤维沥青抗剪强度（） -在20条件下测得的纯沥青抗剪强度（）(=23.275KPa) -此种纤维的市场批发单价（千元/ 吨） -此种纤维的密度（）由式得下表：表4-2 不同纤维性价比由上表得各纤维的性价比由大到小依次是：复合纤维木质素纤维聚酯纤维矿物纤维4.2为改性沥青提供新的评价指标 沥青的抗剪强度试验及相关指标，是对原有的沥青针入度、延度、软化点等技术要求的丰富，为评价沥青改性后的技术性质提供了更精确的规范依据，即：普通石油沥青在20条件下掺量为6%的不同纤维改性之后与纯沥青比较得：纯沥青的抗剪强度为23.275KPa，木质素纤维沥青为42.875KPa，聚酯纤维沥青为78.4KPa，玄武岩矿物沥青为85.75KPa，复合纤维沥青193.55KPa。以上数据可作为评价改性沥青的另一条技术指标，与针入度、延度、软化点等技术指标共同衡量改性沥青的质量规范，作为施工配比的依据。同时此套设备与沥青直接拉伸试验系统、动态剪切流变仪不同，可以直接获得改性沥青的力学性质变化数据，可操作性强并有较高的改进空间。5.创新特色5.1理念创新弥补了原有沥青路面各类纤维规范（如JT/T5332004）只从纤维自身技术指标方面规定纤维使用情况的不足，创造性地从纤维对沥青力学性能的影响入手，通过自主研发的实验设备测定各类纤维对沥青抗剪强度增幅影响的差异，以一种更加简明的方法评价沥青路面各类纤维的使用性能。在此基础上，通过大量的实验数据制定各种纤维的性价比，找到满足经济效益和工程技术要求的最佳平衡点。5.2设备创新提出以抗剪强度为评价标准，首套温控式沥青直剪仪创意鲜明。例如，为了保证沥青试件受水平剪切力而破坏，剪切模具下部通过螺丝固定在水槽底部，而上部通过曲杆与应力环接触（保证模具上部受阻碍保持不动并将力传至应力环）；加力装置通过直杆推动水槽向前匀速运动（剪切模具下部将与水槽一起运动），保证模具上、下部产生相对移动，达到水平剪切的目的；剪切过程中，恒温的水槽能够最大限度的降低温度变化对实验结果的影响。5.3系统性研究的创新首先，提出对纤维沥青加筋效果评价的研究课题，通过讨论、研究、查阅相关资料确定以抗剪强度为评价指标。其次，在寻找适用的实验设备未果的情况下，我们构思出了专用的实验仪器并最终绘制出设计CAD图纸和联系相关厂家制出实物，从而通过科学的实验步骤及方法得到一系列实验数据。再次，通过对实验数据和纤维微观结构的深入分析得出抗剪强度差异的根本原因，制定各种纤维性价比。最后对仪器的使用范围和应用前景进行了拓展与推广。总之，整个研究过程思维缜密、逻辑清楚、大小创新点夹杂其中，从问题的提出、剖析到最终的圆满解决，从方法、设备等方面系统的完成了纤维沥青加筋效果的评价这一课题。此课题的完成无论是对规范标准、设计施工、科学研究等都会有所帮助。6.应用前景温控式沥青直剪仪的研发，初衷是用此仪器做沥青“加筋”效果对比实验、收集数据、完善加纤维沥青的评价指标；以及更深入了解加纤维沥青的力学性能，为科学高效地利用纤维提供理论依据；在实验过程中，我们逐渐完善了对该仪器进行应用的想法，比如： 1）. 本设备不仅可用于纯沥青和纤维沥青的直剪实验，还可用于沥青胶浆的直剪实验，从一个全新角度研究沥青胶浆性能； 2）.由于应力环的规格不尽