试述纤维沥青混凝土的作用与机理.doc

试述纤维沥青混凝土的作用及机理马朝庆1 张杨2（1 广东冠粤路桥有限公司2 广东虎门技术咨询有限公司，广州，510630）摘要：介绍了国内外纤维沥青混凝土的研究现状和应用情况，分析了纤维沥青混凝土在路面工程中的作用，并阐述了相应的作用机理。关键词 纤维沥青混凝土 路面 作用 机理Summary of effect and mechanism of fabric asphalt concrete Mao Chaoqing1 Zhangyang2 (1 Guangdong Guangyue 自己填)2 Guangdong Humen Engineering Consultants Co.ltd)Abstract: Research actuality and application of fabric asphalt concrete over the world are introduced in this paper. Also, effect of fabric asphalt concrete for pavement engineering is analyzed, and the relevant mechanism is expounded.Key words: Fabric asphalt Pavement Effect Mechanism 围绕减少道路病害，提高道路寿命的研究为世界各国所重视。沥青路面的设计大修期为15年，而目前我国的沥青路面往往8年10年就需要进行检修。以路面寿命30年计，资料表明这期间用于道路的维修费用几乎等于新建道路的投资。可见提高公路寿命，延缓检修期至关重要。影响公路质量重要的因素之一是路面损伤，其中最突出的表现为路面裂缝。对此，采用纤维沥青混凝土可以有效减缓裂缝发展速度，延长路面使用寿命，提高路面使用性能。除此之外，纤维沥青混凝土还可以显著提高高温稳定性能，可用于桥面铺装、旧水泥混凝土路面罩面等等。本文在诸多纤维沥青混凝土的应用基础上，分析了纤维沥青混凝土的作用及相应机理。1 国内外研究现状1960年加拿大多伦多大学的Davis N.M发表了关于水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝防治措施的文章，首次系统地研究了纤维作为添加材料改善沥青路面抗反射裂缝性能的问题。1962年Tamburro D.A分析了温石棉纤维对沥青路面性能的影响。1963年Zuehlke G.H正式在第21号公路研究档案中系统地分析了石棉纤维在混合料的马歇尔试验和抗弯拉性能的作用效果。七十年代法国也在路面材料中加入了石棉纤维，并增大了沥青用量，使较粗糙的路面结构具有较好的防水性能和耐疲劳强度。在此基础上还开发了应力吸收薄膜夹层喷涂工艺，以3545kg/的用量喷涂掺有纤维的沥青混合料，用以防止道路裂缝。另外，MEDIFLEX超薄路面材料DRAINOFLLEX排水型沥青材料中都掺加了纤维并取得了预期的效果。到了20世纪80年代，为适应现代重载交通，对路面材料性能要求提高的特点，欧美一些国家就广泛开始了加强沥青材料的应用研究，并在纤维加强沥青路面方面作了大量的工作。德国通过对沥青混合料掺加Dolanit AS(德兰尼特)的研究和观测表明，掺加Dolanit AS（德兰尼特）可以改善沥青混合料的高温稳定性，疲劳耐久性。并且具有低温抗裂和防止反射裂缝的性能，提高了沥青混合料的路用性能。正是由于具有以上优良品质，纤维也被用在机场路面、桥面铺装、收费站等铺面中。美国、加拿大、德国等国采用纤维混凝土修筑了大量高速公路及其它重交通公路。日本最早在沼原水库使用石棉，以后在一些要求抗车辙、耐磨耗的路段上应用，并在1992年12月新版的沥青路面纲要中列出了可用于沥青混合料增强纤维的品种有植物型纤维和耐高温的合成纤维，如聚乙烯醇、聚脂纤维等。美国SHRP研究项目中铺设了试验路，使用的纤维是甲基纤维素。聚合物纤维（包括聚酯纤维、聚丙烯腈纶纤维等）、木质素纤维、玻璃纤维得到广泛应用。经过对纤维加强沥青混凝土在路用性能、适合环保及经济效益等方面的综合比较，目前得到工程上认可，常用的纤维是木质素纤维和聚脂纤维。我国从二十世纪八十年代初开始研究纤维沥青混凝土，同济大学和长沙交通学院等单位的研究结果表明纤维可延缓和减少反射裂缝，并具有加筋和防震的作用，同时也可减薄面层厚度36。合肥工大蔡敏等于1994年对掺有尼龙纤维（1.39%）的沥青混合料进行了拉伸试验。结果表明，混合料初裂强度和极限强度平均升高了61%和40%，疲劳强度提高了1.762.34倍。1998年，孙学高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。同济大学的吕伟民等对纤维在SMA、OGFC中的影响，纤维沥青玛蹄脂的性能等作了大量的研究。长安大学郝培文教授和戴经梁教授等也在对木质素纤维沥青混合料路用性能进行研究，研究结果表明，添加木质素纤维后，沥青混合料的高温稳定性得到了改善，同时其低温稳定性、水稳定性、耐疲劳性和使用寿命也有较大幅度的提高。2 纤维在沥青混凝土路面中的作用2.1 加筋作用沥青混凝土是一种靠沥青粘合在一起的散料组合体，可以认为是不承受拉应力的。在纤维沥青混凝土中，纤维的作用等同于钢筋混凝土中钢筋的作用，即可承受拉应力。纤维通过与骨料的啮合作用(图2-1)，形成较大的摩擦角，同时加上沥青胶浆的粘聚作用，将基体的拉应力传递给纤维，并主要由纤维来承担。纤维在混合料中以三维分散存在，起到了加强筋的作用，增加了沥青与矿料的粘附性，提高了集料之间的粘结力。图2-1 纤维在沥青混凝土土中示意图2.2 吸附和吸收沥青的作用沥青混合料中加入纤维稳定剂后，这些纤维能够充分吸附（表面）及吸收（内部）沥青，从而使沥青油膜用量增加，沥青油膜变厚，以加强沥青混凝土在大孔隙情况下的粘结力，增强耐久性。其主要用于排水性、低噪音、抗滑性能好的沥青碎石玛脂类混合料。2.3 稳定作用纤维使沥青膜处于比较稳定的状态，尤其是在夏天高温季节，沥青受热膨胀时，纤维内部的空隙将具有一定的缓冲作用，不致于使之成为自由沥青而泛油，同时可以改善沥青混合料高温稳定性。2.4 增粘作用纤维可以提高沥青的粘结力，增加沥青与矿物的粘附性，通过油膜的粘结，提高集料之间的粘结力，从力学性能上看，表现为沥青混合料的马歇尔稳定度的提高。2.5 阻裂作用近代胶浆理论认为沥青混凝土是以沥青为唯一连续相的多级空间网状结构的分散体系，因此沥青的破坏将意味着结构体系的破坏。但在纤维增强沥青混凝土中，纤维网作为更为强大的第二连续相在沥青破坏时仍能维持体系的整体性，将会在一定程度上阻止基体破坏的扩展。2.6 增韧作用纤维能够增强对集料颗粒的裹握力，保证沥青路面的整体性而不易松散，提高了混合料的低温抗裂性，从而对沥青起到了增韧作用。根据纤维在沥青混凝土中上述作用，对提高沥青混凝土路面性能的作用主要体现在以下几方面：(1)减少或延缓反射裂缝的出现；(2)提高路面抗车辙的能力；(3)提高沥青路面疲劳寿命；(4)提高沥青路面的高温稳定性；(5)增强沥青路面的低温抗裂能力；(6)减薄沥青路面的厚度；(7)在沥青浸渍之后还有防水的作用，减少水损坏。3 机理分析3.1 纤维的吸附作用机理纤维直径一般小于20mm，有相当大的比表面积，每克纤维的表面积可达数平方米以上。纤维分散到沥青中，其巨大的表面积成为可使沥青浸润的界面，在此界面上纤维可以吸附大量的沥青，形成有一定厚度的、一个新形成的相，称为界面层。界面层的结构与性质取决于沥青与纤维两相的性质，界面层的作用是连接两相并传递、缓冲两相间的应力，是影响整个纤维沥青材料物理、力学性能的关键。纤维与沥青之间的界面层是一个至少为几个分子层厚的区域，其性质取决于纤维的分子排列、化学性质以及沥青的分子结构和化学组成，故不同的纤维对应着不同性质的界面层。沥青中酸性树脂组分是一种表面活性物质，它与纤维表面产生的吸附作用、物理浸润作用以及有时存在的化学键作用，使沥青呈单分子状排列在纤维表面，形成结合力牢固的“结构沥青”界面层，见图3-1。图3-1 纤维与沥青界面作用示意结构沥青比界面层以外的自由沥青粘性大，温度敏感性低，耐热性好。同时，由于纤维直径纤细，纤维及其周围结构沥青一同裹覆于集料表面，使集料表面沥青膜厚度增大。混合料中由于纤维加入，使沥青用量增加，从而导致沥青膜较常规密级配合料增厚65%113%。较厚的沥青膜与其形成的较小的孔隙，减慢了沥青老化速率，从而可使沥青较长时间地维持其粘弹性，降低了沥青的温度敏感性，改善了沥青混合料的高温和低温性能。3.2 纤维的稳定作用机理短纤维在沥青基体内的分布是三向随机的。由于截面纤细，使得纤维掺量不大的沥青基体内，短纤维数目却相当大，形成纵横交织的空间网络。如纤维掺量为3.2%时（约占沥青混合料重0.2%,以下以0.2%表示该掺量），每1g沥青中约有5200根纤维。纵横交错的纤维形成的纤维骨架结构网以及“结构沥青”网，增大了结构沥青比例，减薄了自由沥青膜，使玛蹄脂粘性增大，软化点上升，温度稳定性大幅度提高。同时纤维的“加劲”使沥青混合料可使用稠度较低的沥青，这样也有助于减少低温裂缝的出现。美国铺筑的86个SMA路段检查结果表明，这些路段几乎没有裂缝发现，观察到的少量裂缝仅是反射裂缝，这与纤维改性的较高的沥青用量和稠度较低沥青所组成的玛蹄脂性能是密切有关的。3.3 纤维对裂纹扩展的阻滞作用机理纤维分散在沥青胶结料中，实际上形成了一种以纤维为基质，沥青胶结料为基体的复合材料。在荷载、温度等因素的影响下，路面沥青胶结料内会产生许多小裂纹，小裂纹如果继续扩展，对路面结构的强度和耐久是不利的。由于复合在沥青基本体内的短纤维的分布是三向随机的，且数目众多（纤维长5mm左右、掺量为混合料重0.2%时，每克沥青中约有52000根短纤维）。故而混合料中小裂纹周围甚至内部会有许多短纤维，不妨取短纤维与裂纹面垂直的模型，如图3-2所示。从分解后的模型示意可以看出，受外力作用时，裂纹周围存有众多约束方，对裂纹扩展起阻滞作用。从复合的角度看，即纤维大分子的软链与沥青高分子产生交联、嵌段等作用，约束了沥青高分子的运动。图3-2 纤维阻滞基本体裂纹扩展模型示意取裂纹扩展的应力强度因子K，有纤维分布时的应力强度因子为K*，则纤维阻滞裂纹扩展的效应：对图3-3所示纤维布置，玻璃纤维（弹模73GP，泊松比0.2）复合沥青胶结料（弹模0.2136Gpa，泊松比0.30）时阻滞裂纹的效应，见表3-1。可见，纤维对基本裂纹扩展阻滞的效应非常明显。图3-3 裂纹与纤维布置示意图纤维阻滞裂纹效应 表3-1短纤维长径比10152030阻滞效应f（%）41.236.733.027.0纤维对沥青胶结料基体裂纹的阻滞作用，大大提高了沥青混合料裂纹的自愈能力，增强了弹性恢复，减少了路面裂缝的出现，从而推迟了沥青路面的老化与破坏。法国在23号公路上做了三种不同改性剂的试验路段，七年的寒暑交替和荷载作用后，以细粒式沥青面层裂缝率为100%计：双层SBS改性路面结构裂缝率为50%100%，而底层为纤维改性、面层为纤维与SBS综合改性的路段，裂缝率仅为5%。3.4 纤维的加筋作用机理在我国民间，常在抹墙的灰浆中掺加纸筋切碎的稻草杆，可以起到防止灰浆开裂、增加强度的作用，这就是纸筋的加劲作用。纤维在沥青混凝土中是三维随机分布的，且由于数量众多，故在混合料中广为分布，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。但是应当说明的是，并不是所用的纤维都有这种作用，由于本质素纤维和矿渣纤维的拉力强度很低，故基本上不起加劲作用，而多兰纤维和玻璃纤维有很高的拉力强度，加劲作用就比较明显。纤维对沥青具有增韧作用，能够增强对集料颗粒的裹握力，保证沥青的整体性。根据复合材料力学理论和有限元分析结果，格栅的加入能改变沥青混凝土层在车辆荷载和温度作用下的受力状态，大幅减小接缝处的应力集中，从而阻止反射裂缝的产生和发展，同时能增加路面的整体结构刚度，使沥青混凝土层的表面弯沉减小，提高沥青混凝土加铺层的高温抗车辙能力；玻纤网不是依靠本身的较大变形来扩散应力，其防裂作用实质是一种隔离功能，它分隔了有裂缝或接缝的混凝土板和沥青混凝土加铺层，避免了沥青混凝土层直接处于裂缝或接缝尖端的应力集中区域，而由强度较高的材料承受较大的拉应力，阻碍了裂缝的迅速扩展。通过沥青混凝土弯曲试验研究，未加格栅的试件在达到破坏荷载前，全断面参与承载；当达到破坏荷载时，试件底部出现裂缝，继续加载则裂缝由底部向顶部逐渐扩展，截面有效高度逐渐减小，导致裂缝不断发展，试件底部张开变形逐渐增大，直至断裂。对于加筋的沥青混凝土试件，由于格栅是一种网孔结构，对网孔内的沥青混合料能起一种“箍锁”作用。因此，当试件底部在破坏荷载作用下出现裂缝并延伸到格栅处时，格栅的作用改变了沥青混合料裂缝尖端的受力状况和弯曲破坏过程，使裂缝处的张开变形受到了约束，从而抑制了裂缝的向上发展、此时格栅的横向筋受到混合料向外的推挤力，纵向筋受拉。当混合料向外的推挤力使格栅形状变形较大时，即格栅网孔结构的稳定性遭到破坏时，纵向筋的强度即成为抑制张开变形发展的关键。格栅的网孔结构一般是比较稳定的，并因与沥青混合料相互填充而得到增强，因此格栅本身的抗拉强度大小是抑制裂缝发展的主要因素，采用抗拉强度高的格栅更有利于抑制裂缝的发展。车辙是沥青混凝土路面结构在行车反复作用下产生竖向永久变形的结果，主要发生在高温季节，是高温稳定性不足的反映。通过车辙试验分析其形成的原因是：高温下沥青混合料的流动导致集料骨架失稳，集料向两侧移动。所以减小车辙可以通过2种途径实现：(1)提高沥青的高温稳定性，采用优质改性沥青；(2)设法限制集料移动，保持路面的整体高温稳定性。格栅加入沥青混凝土后，除了承受和扩散应力、应变外，由于其连续的网孔使混合料相互嵌锁，限制了集料移动，保持了沥青混凝土结构整体稳定性，增强了其高温抗变形能力，减小了路面车辙，即控制了车辙形成的第二阶段。3.5 纤维改善疲劳性能的机理疲劳破坏的过程，首先是在结构的某个部位开始产生微小裂纹，裂纹的起点为疲劳源。对沥青混凝土结构来讲，荷载、温度及内部不均匀结点的存在是裂纹产生的主要因素。当混合料受荷载作用时，裂纹尖端发生应力集中，裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时，出现失稳扩展，产生较大的裂缝直至断裂破坏。由于三维随机各向短纤维阻滞了裂纹的扩展，延长了材料失稳扩展、断裂出现的时间，因而复合成的混合料的抗疲劳性能得到明显改善。从另一方面讲，纤维的拔出需要额外的能量，建立新表面时应力的重新分布等也需要消耗能量，这就对复合体产生了增韧效应，从而增强了混合料(复合体)的抗疲劳能力。JPSerfass等人进行了纤维改性的沥青混合料与普通沥青混合料的疲劳试验，以作对比。结果表明在同样18010-5应变、10、25Hz条件下，掺加纤维的沥青混合料的疲劳寿命几乎是普通沥青混合料的100倍。可见，纤维加入对沥青混合料抗疲劳性能的改善是明显的。另外，由于纤维有良好的耐磨阻特性，基质纤维可复合成涂覆集料的保护层。较低温度下，纤维增韧的纤维沥青胶浆对集料颗粒粘裹力增大，使整体不易松散。开裂后的路面也会由于纤维的牵连而不致破碎散失，不会出现大的坑洼，这对行车、安全舒适，对路面的易于修补都具有实际意义。3.6 纤维提高高温稳定性机理不同级配沥青混合料加入聚脂纤维（博尼维）后的（动稳定度）试验数据如表2-2所示。试验数据表明加入纤维后,沥青混合料的整体性、抗剪性能及抗车辙性能提高。这是由于加入纤维后，沥青的粘稠度和粘聚力增加，同时由于纵横交错的纤维一方面起到了“加筋”作用，另一方面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，使沥青砂浆的粘滞性增强，软化点提高，比普通混合料中沥青砂浆的软化点提高20以上，从而使纤维混合料抗高温稳定性提高。试验数据