沥青纤维

沥青纤维（共10篇）

沥青纤维 篇1

1 引言

多年来, 纤维加强沥青路面以性能好、施工技术简单的特点已受到了普遍关注。在沥青混合料中加入纤维加筋材料以改善其整体的物理力学性能是其中重要的研究方向之一[1]。Lin Kueiyi, Bradley J Ptu-man就这种材料进行了大量研究, 取得了一定成果并应用于实际公路工程中, 他们的研究主要集中在聚脂和聚丙烯纤维, 认为纤维对沥青混凝土的各项路用性能有不同程度的改善[2,3]。

根据沥青混合料的生产环境、沥青路面的工作环境及使用性能要求, 沥青路用纤维应具备以下基本条件:

(1) 优秀的力学性能 (强度、弹性模量等) :才可能起到“增强增弹”的力学作用。

(2) 与沥青有很好的表面亲和力:是起到“增强增弹”力学作用的物理基础。

(3) 耐高低温性能:在与沥青高温拌和时, 必须保证不发生热退化, 更不允许与沥青发生化学或溶解反应。否则, 不仅起不到有效作用, 还将破坏沥青本身的性能, 沥青混合料更无法再生利用。

(4) 很好的分散性:确保在沥青中形成均匀分布的纤维空间网络。

(5) 防水侵蚀且不吸水:避免水氧化老化;避免将水吸入沥青油膜内部, 降低纤维与沥青之间的表面亲和力及沥青-集料之间的结合强度。

以上是我们研究人员当前对于沥青路用纤维应具备基本条件的简单定性认识, 并未就纤维本身的各项基本性质对于纤维沥青混合料路用性能的定量影响分析 (影响到多大、影响因素排序等) 进行研究, 为此本研究首先对常用的聚丙烯腈纤维、聚脂纤维、木质素三种纤维增强沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗剪强度性能进行试验研究及比较分析, 并应用灰色关联分析方法建立纤维性质与外掺纤维沥青混合料路用性能之间的联系, 进行定量的影响因素分析, 确定纤维不同技术性质影响沥青混合料性能的大小差异, 这将对于今后沥青路用纤维的优化选择、纤维沥青混合料的应用具有十分重要的意义。

2 原材料与混合料类型

(1) 沥青。沥青为中海70#普通沥青, 各项指标均满足规范要求。

(2) 集料与填料。集料为石灰岩碎石, 填料为石灰岩矿粉, 其各项技术性质均满足规范要求。

(3) 纤维。选择目前用于增强沥青混凝土常见的三种纤维:聚丙烯腈纤维 (Dolanit AS) 、聚脂纤维 (Asphalt Power) 、絮状木质素纤维, 三种纤维均为深圳海川材料公司路用纤维产品, 其具体技术性质见表1。

(4) 沥青混凝土。采用的沥青混凝土是AC-13C型级配混合料。

3 纤维最佳掺量确定及沥青混合料的路用性能研究

3.1 纤维最佳掺量确定

按照马歇尔试验方法对基质沥青混合料、三种不同纤维与不同掺量0.2%、0.3%、0.4% (占沥青混合料的比重) 的外掺纤维沥青混合料进行配合比设计, 确定其各自的最佳油石比, 再在各自最佳油石比条件下测定其马歇尔技术指标, 试验结果见表2。

试验结果表明, 加入纤维后混合料的稳定度均有提高, 其中掺德兰尼特 (Dolanit.AS) 和聚酯王 (Asphalt Power) 两种纤维的混合料稳定度增加幅度较大, 这是因为这两种纤维长径比较大、根数极多、纤维本身模量高, 所以纤维传递和分散荷载的能力强。这三种纤维沥青混合料随着纤维掺量的增加, 稳定度均有不同程度的增加, 聚丙烯腈纤维、聚酯纤维在掺量为0.3%时稳定度达到最大值, 当掺量为0.4%时稳定度有所下降, 木质素纤维在掺量0.3%之后稳定度增加很小。

这可以从复合材料强度分析的宏观、细观和微观层次分析方面来看:宏观上均匀分散的纤维沥青混合料是均匀连续的, 但在细观和微观上则往往是既不连续也不均匀的。尤其在纤维数量过多分散不均的情况下, 纤维的加入往往会导致混合料中强度弱点的涨落。另外, 纤维在混合料中又有不同程度的搭接加筋作用, 所以纤维加入后混合料稳定度的变化主要应视其加筋程度和强度弱点的削弱作用的综合性能而定。优良的纤维以其适当的掺量加入, 纤维分散均匀, 纤维对混合料有加强作用, 混合料稳定度有所增加;如果纤维掺量过大, 纤维由于拌和不够充分等原因而分散不均, 这导致了混合料不均匀性的后果大于纤维加强的后果, 混合料稳定度反而降低。由以上分析来看, 外掺纤维增强沥青混合料存在一个最佳掺量, 通过马歇尔试验分析三种纤维的最佳掺量为0.3%。

3.2 纤维增强沥青混合料的高温稳定性

本研究应用日本浸水轮迹试验机进行车辙试验, 以车辙动稳定度作为纤维沥青混合料高温稳定性的评价指标。试验温度为60℃, 车辙轮压为0.7MPa, 车辙试件为300mm×300mm×50mm普通碾压成型试件。

沥青混合料中掺入纤维后, 动稳定度 (DS) 得到了明显改善和提高。随纤维掺量的增加, 动稳定度增大, 但并不是掺量越大越好, 出现峰值现象。两种聚合物纤维沥青混合料DS在掺量为0.3%时最大, 分别为2945次/mm、2864次/mm, 而掺量为0.4%时DS均有下降。木质素纤维在掺量为0.4%时DS最大, 但仅比0.3%掺量DS增加79次/mm。说明纤维的外掺存在一个最佳掺量, 并不是掺加越多越好, 当纤维掺量超过最佳掺量时, 动稳定度出现缓慢下降。这是由于纤维用量过大, 纤维分散均匀性下降。只有分散开的纤维才对沥青混合料起稳定和加筋作用, 反过来那部分没分散的纤维结团成束后, 成为混合料的“瑕点”, 使较大的矿料颗粒被挤开, 混合料高温性能则出现缓慢下降。依据此高温性能试验结果三种纤维的最佳掺量为0.3%, 这与马歇尔技术指标试验结果相一致。

3.3 纤维沥青混合料的低温抗裂性

沥青混合料中纤维的掺入可以增大沥青膜厚度, 其加筋与桥接作用可以提高沥青混合料的低温抗裂性。本研究采用低温弯曲试验评价沥青混合料的强度及变形能力, 评价指标为最大弯拉应变。试件尺寸为30mm (宽) ×35mm (高) ×250mm (长) 的小梁。试验温度为-10℃, 加载速率为50mm/min。

不同纤维对沥青混合料低温性能的改善程度不同, 聚酯纤维>聚丙烯腈纤维>木质素纤维。基于聚丙烯腈、聚酯两种聚合物纤维较强的加筋作用, 其沥青混合料最大弯拉应变提高幅度较大, 而木质素纤维沥青混合料主要依赖于较大的最佳沥青用量 (同比增加0.1%, 并不多) , 对沥青混合料低温性能改善程度小。

3.4 纤维沥青混合料的水稳定性

本研究采用冻融劈裂试验来评价纤维沥青混合料的水稳性, 评价指标为冻融劈裂强度比TSR。由前述试验结果分析来看, 兼顾平衡纤维沥青混合料高低温性能的纤维最佳掺量为0.3%, 故本试验针对0.3%纤维掺量的沥青混合料进行水稳定性研究。

从表3的试验结果可以看出, 在沥青混合料中加入纤维后其冻融劈裂强度比TSR均得到了不同程度的提高, 聚酯纤维>聚丙烯腈纤维>木质素纤维, 其中两种聚合物纤维提高幅度较大, 聚酯纤维最大提高18%;木质素纤维仅提高2.5%。纤维加入后最佳沥青用量有所增加, 混合料中的沥青膜厚度也会增厚, 从而对水的剥离起到了阻碍作用;同时纤维自身在混合料中的加筋、桥接作用对水稳定性的改善具有一定的作用, 两种聚合物纤维在该方面自身的作用最明显, 而木质素纤维则较差。

3.5 纤维增强沥青混合料的抗剪强度

一般认为, 沥青混合料的抗剪强度由混合料内部的粘结力和摩阻力所构成, 抗剪切强度τ的特性符合Mohr-Coulomb公式τ=C+σtanφ, 式中:c为粘结力, φ为内摩阻角。试验确定则一般有三种途径:直剪试验、三轴试验和简单拉压试验。

本研究采用UTM-100设备进行三轴试验, 按恒定的加载速率施加轴向荷载, 使轴向变形率恒定在0.05mm/mm/min, 对于高度150mm试件相当于加载速度7.5mm/min。纤维掺量为0.3%, 试验温度为60℃。

当正应力σ取标准轮胎接地压力0.7MPa时, 各沥青混合料抗剪强度分别为0.831MPa (无纤维) 、0.992MPa (聚丙烯腈纤维) 、0.979MPa (聚酯纤维) 、0.892MPa (木质素纤维) 。

由试验结果来看, 纤维掺入显著增加了沥青混合料的粘结力, 使内摩阻角有所降低。根据沥青混合料抗剪强度由沥青的粘结力和集料的内摩阻力构成的原理, 在沥青混合料中加入纤维后, 纤维与沥青间的粘结作用和纤维的约束、加筋作用相当于提高了沥青的“粘度”, 使加纤维的沥青混合料的粘结力增加, “粘性”增加, 增加了沥青混合料的抗剪强度。

4 纤维性质对纤维沥青混合料性能的关联性分析

本研究应用灰色关联分析方法建立纤维性质 (具体见表1) 与外掺纤维沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及抗剪强度性能之间的联系, 进行定量的影响因素分析 (影响到多大、影响因素排序等) 。

4.1 灰色关联分析方法及计算程序简介

灰色系统理论提出了一种新的分析方法, 称为系统的关联度分析方法, 这是根据因素之间发展态势的相似或相异程度, 来衡量因素间关联程度的方法。灰色系统关联度分析法在沥青性能研究中的应用已有报道[4,5]。

应用灰色关联分析法进行关联度计算相当繁琐, 且一旦原始数据有所变化, 还需要重新计算, 数据越多, 计算繁琐程度将成倍增加, 为此研究应用Visual Basic程序设计语言编写了灰关联分析计算程序, 大大减少了计算量, 且计算结果非常精确[6]。

4.2 影响因素关联性定量分析

我们考察各纤维性质指标 (比较数列) 与纤维沥青混合料各路用性能 (纤维掺量为0.3%) 评价指标 (参考数列) 的关联性, 各纤维性质指标分别为纤维直径、纤维长度、长径比、抗拉强度、极限拉伸应变、熔融温度、吸湿率、吸持沥青量 (160℃) 、纤维与沥青粘附率。

各路用性能 (纤维掺量为0.3%) 评价指标分别为60℃车辙动稳定度DS、-10℃破坏最大弯拉应变ε、冻融劈裂强度比TSR、抗剪强度τ, 具体详见以上性能试验研究结果。

(1) 纤维性质对于沥青混合料60℃车辙动稳定度DS关联度排序为:r (6) >r (4) >r (5) >r (8) >r (2) >r (3) >r (1) , 表明对纤维沥青混合料高温稳定性影响最大的因素是熔融温度, 其次为抗拉强度、极限拉伸应变, 纤维长度的影响程度大于纤维直径与长径比, 纤维直径影响最小。故为提高沥青混合料的高温稳定性, 宜选择熔融温度高、抗拉强度与极限拉伸应变较大的纤维。

(2) 纤维性质对于沥青混合料-10℃破坏最大弯拉应变ε关联度排序为:r (4) >r (5) >r (8) >r (2) >r (3) >r (1) , 表明对纤维沥青混合料低温抗裂性影响最大的因素是抗拉强度, 极限拉伸应变与吸持沥青量次之, 纤维长度的影响程度大于纤维直径与长径比, 纤维直径影响最小。故为提高沥青混合料的低温抗裂性, 宜选择抗拉强度与极限拉伸应变高、吸持沥青量大的纤维。

(3) 纤维性质对于沥青混合料冻融劈裂强度比TSR关联度排序为:r (9) >r (4) >r (5) >r (8) >r (2) >r (3) >r (1) >r (7) , 由此看出对纤维沥青混合料水稳定性影响最大的因素是纤维与沥青的粘附率, 其次为抗拉强度、极限拉伸应变、吸持沥青量, 纤维长度的影响程度大于纤维直径与长径比, 吸湿率影响最小。故为改善沥青混合料的水稳定性, 宜选择纤维与沥青粘附率较好、抗拉强度与极限拉伸应变大、吸持沥青量较大的纤维。

(4) 纤维性质对于沥青混合料抗剪强度τ关联度排序为:r (6) >r (4) >r (5) >r (8) >r (2) >r (1) >r (3) , 计算结果表明对纤维沥青混合料抗剪强度影响最大的因素是纤维熔融温度, 抗拉强度、极限拉伸应变次之, 吸持沥青量影响程度居中, 纤维长度的影响程度大于纤维直径与长径比, 长径比影响最小。故为提高沥青混合料的抗剪强度, 宜选择熔融温度高、抗拉强度与极限拉伸应变大、吸持沥青量较大的纤维。

4.3 影响因素综合分析

以上我们应用灰关联分析方法进行了纤维性质对于纤维沥青混合料各路用性能的影响因素分项关联性分析, 由计算分析结果综合来看, 对外掺纤维沥青混合料路用性能影响程度最大的纤维性质因素是抗拉强度与极限拉伸应变, 其次是熔融温度, 吸持沥青量也有一定程度影响, 纤维直径影响最小, 在纤维形状特征因素中纤维长度的影响程度大于纤维直径与长径比。

因此, 为提高改善沥青混合料的路用性能, 建议在纤维类型的选择上首先考察的纤维性质是抗拉强度与极限拉伸应变, 熔融温度、吸持沥青量次之;在纤维形状特征中注重纤维长度的影响, 其适宜长度有待进一步研究。

5 结语

(1) 不同纤维种类、不同纤维掺量沥青混合料的路用性能研究:聚丙烯腈、聚酯两种纤维沥青混合料的路用性能比较相当, 优于木质素纤维沥青混合料;纤维的合理掺量为沥青混合料的0.3%。

(2) 不同纤维对于沥青混合料路用性能改善提高的作用机理不同:聚丙烯腈、聚酯两种聚合物纤维主要依赖于其在混合料中较强的加筋与桥接、应力分散与均衡作用;而木质素纤维对沥青较强的吸附稳定性起决定作用。

(3) 应用灰关联分析方法进行纤维性质对纤维沥青混合料路用性能的影响因素分析:对外掺纤维沥青混合料路用性能影响程度最大的纤维性质因素是抗拉强度与极限拉伸应变, 其次是熔融温度, 吸持沥青量也有一定程度影响, 纤维直径影响最小, 在纤维形状特征因素中纤维长度的影响程度大于纤维直径与长径比。

(4) 建议在纤维类型的选择上首先考察的纤维性质是抗拉强度与极限拉伸应变, 熔融温度、吸持沥青量次之;在纤维形状特征中注重纤维长度的影响, 其适宜长度有待进一步研究。

摘要：纤维用于增强沥青混合料应具备优秀的力学性能、耐高低温性能、很好的分散性等技术性质。本研究在对常用聚丙烯腈纤维、聚脂纤维、木质素纤维三种纤维增强沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗剪强度性能进行试验研究及比较分析的基础上, 应用灰色关联分析方法建立纤维性质与外掺纤维沥青混合料路用性能之间的联系, 进行定量的影响因素分析对比, 确定纤维不同技术性质影响沥青混合料性能的大小差异, 对于今后沥青路用纤维的优化选择、纤维沥青混合料的应用具有十分重要的意义。

关键词：纤维性质,纤维沥青混合料,路用性能,灰色关联分析

参考文献

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[3]Bradley J.Putman, Serji N.Amir Khanian.Utilization of Waste Fibers in Stone Matrix Asphalt Mixtures[J].Re-sources, Conservation and Recycling, 2004 (42) :265-274.

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[5]李立寒.沥青性能指标之间的关联程度分析[J].石油沥青, 2000, 14 (3) :6-10.

[6]李智慧.沥青胶浆高低温性能的评价研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学硕士学位论文, 2005.

沥青纤维 篇2

文章以采用正交试验得出的最佳级配、SBS改性沥青和两种不同的聚酯纤维构成的.混合料为对象,通过对混合料的不同时间、不同温度的高温稳定性能进行试验研究,得出了聚酯纤维混合料的动稳定度要求及在采用最佳级配和SBS改性沥青的情况下,纤维对混合料的高温性能贡献情况等有关结论.

作 者：廖常川 何立平LIAO Chang-chuan HE Li-ping 作者单位：廖常川,LIAO Chang-chuan(广西高速公路投资有限公司,广西,南宁,530022)

何立平,HE Li-ping(广西交通科学研究院,广西,南宁,530007)

沥青纤维 篇3

【关键词】纤维沥青;应力吸收层;组成材料;粘结性能

Fiber asphalt stress absorbing layer material on the composition and bonding properties

Chen Guo-qiang1，Yao Ji-hong2

（1.Pingdingshan Highway AdministrationPingdingshanHenan467000;

2.Pingdingshan Highway Administration Center LaboratoryPingdingshanHenan467000）

【Abstract】Fiber asphalt stress absorbing layers of material and bonding properties were studied by orthogonal experiment design method， using shear test shear strength and pull-out tests to get to get the two indicators to evaluate the bond strength adhesive interlayer material properties analysis of the best when the amount of fiber asphalt stress absorbing layer to achieve the best bonding properties of the constituent materials， through poor analysis， the impact on the bond performance is： the greatest impact on the fiber length， the amount of modified asphalt emulsion， followed by the amount of the impact of fiber Min.

【Key words】Fiber asphalt;Stress absorbing layer;The constituent materials;Bonding properties

1. 引言

（1）通过对纤维沥青应力吸收层在路面结构中关键功能的分析可知，应力吸收层是处在基层与下面层之间的功能层，为使其路用性能得到更好的发挥，纤维沥青应力吸收层应该能够改善基层与下面层之间的粘结状态，并且可以在一定程度上防止基层裂缝反射到面层，防止进入面层的水分冲刷基层[1]。

（2）由于纤维沥青应力吸收层较薄，层间易发生推移和拥包，层间的粘结性能显得尤为重要。本文采用斜剪试验和拉拔试验来研究纤维沥青应力吸收层组成材料的最佳用量，在室内通过现有的试验手段定量分析新旧沥青面层间强度特性，主要通过斜剪试验的剪切强度指标和拉拔试验的粘结强度指标来评价界面层间的粘结性能[2]。斜剪试验的目的是为了检验粘结层抵抗行车荷载在水平力作用下产生剪切应力的能力，拉拔实验是一种改进的间接拉伸法，其优点是能较好反映修补的真实情况，适合现场测试。如果新旧沥青面层间结结好，则两层沥青层间的剪切强度和粘结强度应较高，用试验测出具体的强度数据，则可以评价层间粘结效果的好坏。

2. 粘结性性能试验设计

采用正交试验法对纤维沥青应力吸收中间层组成材料改性乳化沥青用量、无碱玻璃纤维用量和长度进行优化设计，使其具

备最佳粘结性能。本文选取斜剪试验的剪切强度和拉拔试验的粘结强度作为评价指标。

2.1影响因素及因素水平选择。

本研究选取A（无碱玻璃纤维用量）、B（无碱玻璃纤维长度）、C（改性乳化沥青用量）为影响因素。针对各影响因素，相应选取不同的因素水平，无碱玻

璃纤维用量选取80g·m-2，120 g·m-2， 160 g·m-2， 200 g·m-2，无碱玻璃纤维长度选取0-2cm，2-4cm，4-6cm，6-8cm，改性乳化沥青的用量为0.4 Kg ·m-2，0.8 Kg·m-2，1.2 Kg·m-2，1.5 Kg·m-2，见下表1。

2.2正交表选取。

（1）纤维沥青应力吸收层由改性乳化沥青和无碱玻璃纤维组成，影响其粘结性能的主要因素是改性乳化沥青的用量、无碱玻璃纤维用量和无碱玻璃纤维长度，故本文选择这三个为因素[3]，各因素选择四个水平，通过16次试验来完成正交设计。由于剪切试验和拉拔试验都不是常规试验，每一组试验进行平行重复试验3次，本文暂不考虑误差因素。

（2）通过正交试验设计的基本方法，进行试验方案的表头设计和水平翻译，制得正交试验方案表（见表2所示），并按试验方案进行试验。在试验顺序的选择上，不拘泥于试验号的先后，以随机选择的方式决定试验顺序。

3. 试验过程

3.1试件成型。

纤维沥青应力吸收层是铺设在旧路面和沥青混凝土加铺层之间的一个薄层，为了模拟实际工程中应力吸收层结构的工作状态，试验采用“旧沥青路面AC-13+沥青纤维增强封层+ SMA-10薄层罩面”的结构。试件的成型过程主要有三步[4]：第一步：旧混凝土路面的模拟;第二步：加铺应力吸收层;第三步：加铺 SMA薄层罩面。为了模拟上图1的试验模型，必需先成型一个旧沥青混凝土面层，再涂抹沥青纤维增强封层，待其破乳后，最后加铺 SMA 薄层罩面，其具体过程如图 1。

（1）旧路面成型。

采用AC-13路面，配合比设计采用马歇尔试验方法，设计过程不再详述。级配范围如表3，马歇尔试验结果如表4，最佳沥青用量是4.5%，最佳沥青用量时性能试验结果如表5。

（2）纤维沥青应力吸收层的成型。

将制备好的旧沥青混凝土板放置至少12h 再脱模，称量好改性乳化沥青和纤维，然后用毛刷分层涂布在旧混凝土板上：一层乳化沥青一层纤维，第一层和最后一层必须是乳化沥青，具体涂布的层数根据纤维用量确定，最终目的是将乳化沥青和纤维撒布均匀，避免厚度存在较大的差异，其成型效果见图1第二步[5]。在施工时，可用专门洒布车喷洒乳化沥青的同时同步切割喷洒纤维。

（3）SMA-10薄层罩面成型。

待破乳后，再进行薄层罩面成型。其成型效果见图1第三步。为了使成型后的试件与试模齐平，以利于最后成型，将涂抹好中间层的旧混凝土板放入试模内，测量试件表面与试模齐平之间的高度，即为需要加铺的沥青混凝土厚度（大约 5cm）。试件用轮碾机成型，将试件养护 12h 后脱模，并标出轮碾方向，留待以后切割用 。

3.2斜剪试验。

将养护 48h 后的沥青混凝土车辙试件放到切割机上，迎着轮碾方向，按照试验所规定的尺寸进行试件的切割，剪切试验试件尺寸为：50 100 100（单位：mm），剪切试件的成型过程见下图2。剪切试验采用 45b斜剪，自制夹具，在数显路面强度材料仪上进行试验，将试件在要求温度下放置 2h，然后取出安放在夹具中，放入试验机，剪切速率为 50 mm/min，开动试验机开始试验与取出试件时的间隔不超过5s，记录试验过程中的最大压力[6]。试验温度控制在 25±2℃，作为标准试验温度。剪切试验的剪切过程见图3。

3.3拉拔试验。

拉拔试验直接在养护 48h 后的沥青混凝土车辙板上用钻芯机进行钻芯，钻芯机的钻孔内径为 10cm（拉头的直径为 10cm），钻芯时要钻至旧沥青路面面层部分但不钻穿。拉拔试验采用自制拉拔夹头，保持上面层清洁、干净和平整，用环氧树脂粘结胶将夹头粘在试件上，然后放置在温度为 30±2℃标准试验条件下不少于6h，取出用智能粘结强度仪进行拉拔试验，拉力垂直作用于试件上，控制拉拔速率为 2 mm/min，开动试验机开始试验与取出的时间间隔不超过 5s，开动试验机直至粘结破坏，注意必须是从夹层处破坏，若从夹头粘结处破坏，试验需重做[7]。记录粘结破坏时的最大荷载，试验过程见下图4。

3.4试验结果（纤维沥青正交试验结果见表6）。

根据选定的剪切强度和粘结强度两个指标，进行正交试验直观分析，结果见表7。

针对不同评价指标，各因素的极差值 r，即可确定各影响因素的主次关系如图5所示。

4. 结论

根据正交试验分析结果可以看出：

（1）通过正交试验中各因素的极差分析，得到各因素影响剪切强度的主次顺序为：B>C>A;影响粘结强度的主次顺序为：A>B>C。结合材料特性和现阶段国内外研究成果，各评价指标中，选择剪切强度作为第一评价指标，故综合对两个指标的影响程度，主次顺序为 B>C>A。即对于纤维沥青应力吸收中间层粘结性能影响中，纤维长度影响最大，改性乳化沥青用量次之，纤维用量影响最小。

（2）根据正交试验结果，对于剪切强度指标，纤维沥青应力吸收中间层的最佳方案为 A2B4C3，对于粘结强度指标，其最佳方案为 A3B4C3。综合考虑基于两个评价指标的最佳方案，及三个影响因素的主次顺序及影响程度，最终选择最佳方案为 A2B4C3，即纤维用量为 120g·m-2，纤维长度为 6-8cm，改性乳化沥青用量为 1.2Kg·m-2，即正交试验方案中第 8 组，最佳试验方案已包含在所作正交试验中 。

参考文献

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[7]申爱琴等.沥青路面层间处置新材料及施工关键技术研究[R].2009.2.

（1）旧路面成型。

采用AC-13路面，配合比设计采用马歇尔试验方法，设计过程不再详述。级配范围如表3，马歇尔试验结果如表4，最佳沥青用量是4.5%，最佳沥青用量时性能试验结果如表5。

（2）纤维沥青应力吸收层的成型。

将制备好的旧沥青混凝土板放置至少12h 再脱模，称量好改性乳化沥青和纤维，然后用毛刷分层涂布在旧混凝土板上：一层乳化沥青一层纤维，第一层和最后一层必须是乳化沥青，具体涂布的层数根据纤维用量确定，最终目的是将乳化沥青和纤维撒布均匀，避免厚度存在较大的差异，其成型效果见图1第二步[5]。在施工时，可用专门洒布车喷洒乳化沥青的同时同步切割喷洒纤维。

（3）SMA-10薄层罩面成型。

待破乳后，再进行薄层罩面成型。其成型效果见图1第三步。为了使成型后的试件与试模齐平，以利于最后成型，将涂抹好中间层的旧混凝土板放入试模内，测量试件表面与试模齐平之间的高度，即为需要加铺的沥青混凝土厚度（大约 5cm）。试件用轮碾机成型，将试件养护 12h 后脱模，并标出轮碾方向，留待以后切割用 。

3.2斜剪试验。

将养护 48h 后的沥青混凝土车辙试件放到切割机上，迎着轮碾方向，按照试验所规定的尺寸进行试件的切割，剪切试验试件尺寸为：50 100 100（单位：mm），剪切试件的成型过程见下图2。剪切试验采用 45b斜剪，自制夹具，在数显路面强度材料仪上进行试验，将试件在要求温度下放置 2h，然后取出安放在夹具中，放入试验机，剪切速率为 50 mm/min，开动试验机开始试验与取出试件时的间隔不超过5s，记录试验过程中的最大压力[6]。试验温度控制在 25±2℃，作为标准试验温度。剪切试验的剪切过程见图3。

3.3拉拔试验。

拉拔试验直接在养护 48h 后的沥青混凝土车辙板上用钻芯机进行钻芯，钻芯机的钻孔内径为 10cm（拉头的直径为 10cm），钻芯时要钻至旧沥青路面面层部分但不钻穿。拉拔试验采用自制拉拔夹头，保持上面层清洁、干净和平整，用环氧树脂粘结胶将夹头粘在试件上，然后放置在温度为 30±2℃标准试验条件下不少于6h，取出用智能粘结强度仪进行拉拔试验，拉力垂直作用于试件上，控制拉拔速率为 2 mm/min，开动试验机开始试验与取出的时间间隔不超过 5s，开动试验机直至粘结破坏，注意必须是从夹层处破坏，若从夹头粘结处破坏，试验需重做[7]。记录粘结破坏时的最大荷载，试验过程见下图4。

3.4试验结果（纤维沥青正交试验结果见表6）。

根据选定的剪切强度和粘结强度两个指标，进行正交试验直观分析，结果见表7。

针对不同评价指标，各因素的极差值 r，即可确定各影响因素的主次关系如图5所示。

4. 结论

根据正交试验分析结果可以看出：

（1）通过正交试验中各因素的极差分析，得到各因素影响剪切强度的主次顺序为：B>C>A;影响粘结强度的主次顺序为：A>B>C。结合材料特性和现阶段国内外研究成果，各评价指标中，选择剪切强度作为第一评价指标，故综合对两个指标的影响程度，主次顺序为 B>C>A。即对于纤维沥青应力吸收中间层粘结性能影响中，纤维长度影响最大，改性乳化沥青用量次之，纤维用量影响最小。

（2）根据正交试验结果，对于剪切强度指标，纤维沥青应力吸收中间层的最佳方案为 A2B4C3，对于粘结强度指标，其最佳方案为 A3B4C3。综合考虑基于两个评价指标的最佳方案，及三个影响因素的主次顺序及影响程度，最终选择最佳方案为 A2B4C3，即纤维用量为 120g·m-2，纤维长度为 6-8cm，改性乳化沥青用量为 1.2Kg·m-2，即正交试验方案中第 8 组，最佳试验方案已包含在所作正交试验中 。

参考文献

[1]陈晓娟. 纤维沥青碎石封层适应性及阻裂效应研究[D].西安：长安大学，2010.

[2]张宗辉.纤维封层技术及在公路养护中的应用[J].工程机械与维修，2008（01）：11.

[3]王建国.法国纤维封层技术与应用[J].交通世界，2008（6）：17-167，1～7.

[4]闰修海，于金成，王建国等.纤维封层技术的引进与应用[J].北方交通，2008（08）：75～89，1～6.

[5]Aysar NAJD，郑传超，纤维加筋沥青混凝土断裂性能试验[J].长安大学学报，2005（5）28～32.

[6]陈华鑫， 张争奇， 胡长顺. 纤维沥青混合料的低温抗裂性能[J]. 华南理工大学学报，2004，（04）.

[7]申爱琴等.沥青路面层间处置新材料及施工关键技术研究[R].2009.2.

（1）旧路面成型。

采用AC-13路面，配合比设计采用马歇尔试验方法，设计过程不再详述。级配范围如表3，马歇尔试验结果如表4，最佳沥青用量是4.5%，最佳沥青用量时性能试验结果如表5。

（2）纤维沥青应力吸收层的成型。

将制备好的旧沥青混凝土板放置至少12h 再脱模，称量好改性乳化沥青和纤维，然后用毛刷分层涂布在旧混凝土板上：一层乳化沥青一层纤维，第一层和最后一层必须是乳化沥青，具体涂布的层数根据纤维用量确定，最终目的是将乳化沥青和纤维撒布均匀，避免厚度存在较大的差异，其成型效果见图1第二步[5]。在施工时，可用专门洒布车喷洒乳化沥青的同时同步切割喷洒纤维。

（3）SMA-10薄层罩面成型。

待破乳后，再进行薄层罩面成型。其成型效果见图1第三步。为了使成型后的试件与试模齐平，以利于最后成型，将涂抹好中间层的旧混凝土板放入试模内，测量试件表面与试模齐平之间的高度，即为需要加铺的沥青混凝土厚度（大约 5cm）。试件用轮碾机成型，将试件养护 12h 后脱模，并标出轮碾方向，留待以后切割用 。

3.2斜剪试验。

将养护 48h 后的沥青混凝土车辙试件放到切割机上，迎着轮碾方向，按照试验所规定的尺寸进行试件的切割，剪切试验试件尺寸为：50 100 100（单位：mm），剪切试件的成型过程见下图2。剪切试验采用 45b斜剪，自制夹具，在数显路面强度材料仪上进行试验，将试件在要求温度下放置 2h，然后取出安放在夹具中，放入试验机，剪切速率为 50 mm/min，开动试验机开始试验与取出试件时的间隔不超过5s，记录试验过程中的最大压力[6]。试验温度控制在 25±2℃，作为标准试验温度。剪切试验的剪切过程见图3。

3.3拉拔试验。

拉拔试验直接在养护 48h 后的沥青混凝土车辙板上用钻芯机进行钻芯，钻芯机的钻孔内径为 10cm（拉头的直径为 10cm），钻芯时要钻至旧沥青路面面层部分但不钻穿。拉拔试验采用自制拉拔夹头，保持上面层清洁、干净和平整，用环氧树脂粘结胶将夹头粘在试件上，然后放置在温度为 30±2℃标准试验条件下不少于6h，取出用智能粘结强度仪进行拉拔试验，拉力垂直作用于试件上，控制拉拔速率为 2 mm/min，开动试验机开始试验与取出的时间间隔不超过 5s，开动试验机直至粘结破坏，注意必须是从夹层处破坏，若从夹头粘结处破坏，试验需重做[7]。记录粘结破坏时的最大荷载，试验过程见下图4。

3.4试验结果（纤维沥青正交试验结果见表6）。

根据选定的剪切强度和粘结强度两个指标，进行正交试验直观分析，结果见表7。

针对不同评价指标，各因素的极差值 r，即可确定各影响因素的主次关系如图5所示。

4. 结论

根据正交试验分析结果可以看出：

（1）通过正交试验中各因素的极差分析，得到各因素影响剪切强度的主次顺序为：B>C>A;影响粘结强度的主次顺序为：A>B>C。结合材料特性和现阶段国内外研究成果，各评价指标中，选择剪切强度作为第一评价指标，故综合对两个指标的影响程度，主次顺序为 B>C>A。即对于纤维沥青应力吸收中间层粘结性能影响中，纤维长度影响最大，改性乳化沥青用量次之，纤维用量影响最小。

（2）根据正交试验结果，对于剪切强度指标，纤维沥青应力吸收中间层的最佳方案为 A2B4C3，对于粘结强度指标，其最佳方案为 A3B4C3。综合考虑基于两个评价指标的最佳方案，及三个影响因素的主次顺序及影响程度，最终选择最佳方案为 A2B4C3，即纤维用量为 120g·m-2，纤维长度为 6-8cm，改性乳化沥青用量为 1.2Kg·m-2，即正交试验方案中第 8 组，最佳试验方案已包含在所作正交试验中 。

参考文献

[1]陈晓娟. 纤维沥青碎石封层适应性及阻裂效应研究[D].西安：长安大学，2010.

[2]张宗辉.纤维封层技术及在公路养护中的应用[J].工程机械与维修，2008（01）：11.

[3]王建国.法国纤维封层技术与应用[J].交通世界，2008（6）：17-167，1～7.

[4]闰修海，于金成，王建国等.纤维封层技术的引进与应用[J].北方交通，2008（08）：75～89，1～6.

[5]Aysar NAJD，郑传超，纤维加筋沥青混凝土断裂性能试验[J].长安大学学报，2005（5）28～32.

[6]陈华鑫， 张争奇， 胡长顺. 纤维沥青混合料的低温抗裂性能[J]. 华南理工大学学报，2004，（04）.

纤维胶粉沥青混合料性能研究 篇4

随着我国经济的快速增长, 交通运输业和汽车工业得到了较大的发展, 同时也造成了大量废旧轮胎对环境的黑色污染。据世界卫生组织统计, 全世界废旧轮胎的积存量已达30亿条, 并且还在以每年约10亿条的速度不断增长。中国是世界上最大的轮胎生产国, 废旧轮胎的产生量也在急剧增加, 2010年我国废旧轮胎产生量超出2亿条, 如果废弃, 会给我国的环保带来巨大的压力, 也会造成资源的巨大浪费。

将废轮胎橡胶粉掺入到沥青中制备成橡胶粉改性沥青应用于道路路面铺设不仅可大幅度提高沥青路面的路面性能、延长适用寿命、降低公路建设造价, 而且能起到治理污染、节约资源、综合利用废物的作用, 符合国家环保政策和发展循环经济、建设节约型社会的要求。但由于废轮胎橡胶粉改性沥青工艺的复杂性, 废轮胎橡胶粉在道路工程中的运用与我国废旧轮胎产生量还很不匹配。

2 国内外研究现状

美国联邦公路局 (FHWA) 开发了一种化学改性废胶粉沥青, 用特定的化学物质来处理废胶粉, 然后加入到沥青中, 来提高废胶粉改性沥青的性能, 减轻沥青的离析, 取得了良好的效果;Niyang等人对废胶粉改性沥青采用了预混母体法和添加剂、稳定剂, 研究制得性能好的废胶粉改性沥青;石洪波等人研究了废胶粉改性沥青中掺加糠醛油作为助剂提高沥青的性能, 并提出了相应的配比;廖明义等人研究了助剂和制备工艺来提高废胶粉改性沥青的性能;解建光等人研究了将废胶粉表面进行碱化处理, 从而改善废胶粉和沥青之间的结合, 提高其稳定性能;刘大梁等人用硅藻土和废胶粉复合对70#沥青进行改性, 取得了一定的效果。

虽然国内外已经使用了一些方法促进了废胶粉改性沥青性能的稳定和提高, 但是, 这个方面的研究还处于一个起步阶段, 研究还不够深入;同时主要采用的是化学方法, 由于工艺复杂, 故尚未得到很好地推广应用。

木质素纤维:木质素 (Methyl Celluose) 纤维是由木材管胞失去生命力后形成的, 木材管胞具有中空结构, 中空内径一般为40～60 pm, 管胞长度为1～3 mm。处理温度高达250 ℃以上时不变质, 外观呈灰色, 纤维截面形状锯齿形, 纵向结构圆柱形, 化学稳定性好。

将木质素纤维和废橡胶粉两者共同使用以达到提高沥青混凝土的抗裂性能并降低废橡胶粉改性沥青的工艺敏感性, 便于施工, 对促进废轮胎橡胶粉在道路工程中的运用具有较好的助推作用。

目前, 美国铺设的橡胶粉改性沥青路面已达到1.1万公里。在美国已应用和正在研究开发的使用废轮胎胶粉改性沥青及沥青混合料技术分为两大类:即“干法”和“湿法”。“干法” (dry process) 是在沥青混合料生产时, 直接将胶粉投入到沥青混合料拌合锅中, 制成胶粉改性沥青混合料;“湿法” (wet process) 是将胶粉在较高的温度下加入到热沥青中, 通过快速搅拌等工艺和助剂材料, 制备为成品的胶粉改性沥青, 然后与矿物混合制得混合料。研究表明, 干法中胶粉主要起到填充作用, 与沥青相互作用不充分, 改性效果较差;相对而言, 湿法所制得的胶粉改性沥青性能更好。

其他工业发达国家, 如日本、加拿大、法国、英国、荷兰、比利时、瑞典、澳大利亚等, 都已成功地使用废橡胶粉改性沥青, 且用于修筑高等级公路。国外20多年的胶粉沥青使用经验表明, 对于重交通沥青路面胶粉改性沥青比普通沥青具有抗变形、低温抗裂性、高温稳定性、抗车辙和耐疲劳性的明显优势。2003年, 德克萨斯的检测结果发现, 使用橡胶沥青的开级配抗滑层 (OGFC) 平均降噪8dB, 而且路表磨擦提高了两倍以上。

经过近半个世纪的应用, 废旧橡胶粉在公路工程中的应用大致经过了5个发展阶段:应力吸收层;应力中间吸收层;开级配沥青混凝土;连续级配沥青混凝土;断级配沥青混凝土。经过实践检验和经验总结, 美国使用废轮胎橡胶于路面上相当成功的亚利桑纳州主张不要将橡胶沥青使用在密级配, 应将其用在间断级配结构层, 或是开级配磨耗层。当前大多数国家的技术指南中也都明确规定橡胶粉应用于断级配沥青混凝土。

2001～2003年, 由交通部设立, 交通部公路科学研究所与同济大学、山东省交通科学研究所等单位合作承担了交通部西部交通建设科研项目“废旧橡胶粉用于筑路的技术研究”, 该项目对橡胶粉在沥青混合料中的作用机理以及橡胶沥青、橡胶沥青混合料的力学特性和路用性能进行了试验研究, 结合我国实际, 初步提出了路用橡胶粉及橡胶粉改性沥青的技术标准、橡胶粉沥青混合料设计方法及技术标准建议稿。结合室内试验研究结果, 在华南地区、西南地区、轻冰冻地区等三个气候片区修筑总长近30公里的试验路和实体工程 [1]。试验路施工有干法和湿法两种工艺, 到目前为止应用效果良好。与此同时, 国内橡胶粉改性沥青技术, 也从最初借鉴国外成果和引进设备, 到如今已经实现了自主研发, 不仅生产技术领先, 而且沥青性能也优于国外产品。一些企业甚至已经开始向国外成套出口橡胶沥青技术及设备。

沥青混凝土的抗裂性是影响沥青路面路用性能和使用寿命的关键影响因素之一。国内外学者对其进行了广泛的研究, 提出了各种提高沥青混凝土抗裂性的方法。主要有加铺应力一应变吸收膜、土工格栅、土工织物;改进沥青混合料设计, 采用“合金化”方法;在面层与基层之间增加级配碎石层;基于柔性基层的设计;基层预切缝以及在沥青混合料中添加纤维材料。其中, 在沥青混合料中掺加纤维材料目前被认为是改进沥青路面抗裂性比较经济有效的方法。Lee[2], 黄彭[3], Free-man[4], Moussa[5], 陈华鑫[6]等陆续对尼纶纤维, 木质素纤维, 聚酯纤维, 聚乙烯纤维, 聚酰胺纤维沥青混凝土路面和各种纤维的微观性质做了深入的研究, 发现木质素纤维具有较好的效果。

仲玉侠[7]通过车辙试验研究了加入德兰尼特、木质素纤维的AC沥青混凝土的动稳定性和变形量及其影响因素, 结果表明改善低温抗裂性能可选用木质素纤维, 纤维掺量为0.2%, 可兼顾低温强度和劲度。王发洲[8]采用聚合物纤维和木质素纤维混合使用方式, 通过马歇尔试验、车辙试验、冻融劈裂试验和抗反射裂缝性能试验进行混杂纤维增强沥青混合料的路用性能和抗反射裂缝性能的研究。结果表明:混杂纤维能够显著提高沥青混凝土的高温抗车辙性能、低温抗裂性能和良好的抗裂缝反射能力。杨红辉[9]通过对木质素纤维沥青混合料的一系列路用性能试验, 其中包括高温变形特性、水稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性等, 试验结果表明, 适当降低其沥青用量可以大大改善沥青混合料的高温性能, 同时混合料的其它路用性能也有一定的提高。

3 拟开展研究的内容

通过试验研究和评价掺加木质素纤维废橡胶粉沥青混合料的性能, 为木质素纤维及废橡胶粉沥青混合料在城市道路的实体工程应用提供技术依据, 提高混合料的技术性能。本课题主要是研究和评价木质素纤维及废橡胶粉沥青混合料的技术性能, 为木质素纤维及废橡胶粉沥青混合料在城市道路的实体工程应用提供技术依据, 研究内容分为四部分:

(1) 对现有沥青混凝土路面裂缝情况开展调查, 研究分析面层裂缝的开展机理, 找出沥青混凝土面层本身性能中的主要影响因素。

(2) 木质素纤维及废橡胶粉改性沥青制备工艺研究, 制备木质素纤维及废橡胶粉改性沥青, 测试其性能, 并分析废胶粉掺量、废胶粉细度以及工艺参数 (搅拌温度、搅拌时间、剪切时间等) 对改性沥青性能的影响。

(3) 木质素纤维及废橡胶粉改性沥青混合料的性能试验及评价。

(4) 研究改善木质素纤维及废橡胶粉抗裂沥青混凝土的施工特性, 降低对施工工艺的敏感性。根据木质素纤维及废橡胶粉抗裂沥青混凝土的性能, 制定木质素纤维及废橡胶粉抗裂沥青混凝土路面施工工艺与质量控制方法, 并在试验路上加以应用, 最后, 对木质素纤维及废橡胶粉抗裂沥青混凝土路面经济、环境和社会效益进行了分析评价。

4 结 语

将木质素纤维和废橡胶粉这两种沥青路面改性材料按照一定的组合共同用于沥青混凝土中, 充分发挥它们各自的优点, 有效预防沥青混凝土路面的裂缝产生;确定废橡胶粉改性沥青及沥青混合料生产工艺, 便于施工单位施工, 为废轮胎胶粉在沥青混凝土中的大规模使用创造条件。

摘要：通过试验研究和评价掺加木质素纤维废橡胶粉沥青混合料的性能, 为木质素纤维及废橡胶粉沥青混合料在城市道路的实体工程应用提供技术依据, 提高混合料的技术性能。将木质素纤维和废橡胶粉这两种沥青路面改性材料按照一定的组合共同用于沥青混凝土中, 充分发挥它们各自的优点, 有效预防沥青混凝土路面的裂缝产生。

关键词：木质素纤维,胶粉沥青,试验方法

参考文献

[1]柳芒英.橡胶粉改性沥青及其混合料路用性能研究[D].南京:南京林业大学, 2009.

[2]Lee S J, Rust J P, Hamouda H, et a1.Fatigue cracking resistance offiber-reinforced asphaltconcrete[J].Texile Research Journal, 2005.75 (2) :123-128.

[3]黄彭.木质素纤维在沥青混合料中的应用研究[J].石油沥青, 1998, 12 (4) :9-15.

[4]Freeman R B, Burati J L, Amirkhanlan S N, et a1.Pdyester fibersin asphalt paving mixtures[J].Association Asphalt Paving Tech-nology, 1989, 58 (6) :387-409.

[5]Moussa G K.Effect of addition of short fibers of polyacrylic and pol-yamide to asphalt mixtures[J].AKJAlexandria Eng Journal, 2003, 42 (3) :329-336.

[6]陈华鑫, 张争奇, 胡长顺.纤维沥青混合料的低温抗裂性能[J].华南理工大学学报 (自然科学版) , 2004, 32 (4) :82-86.

[7]仲玉侠, 杨锡武, 徐基立.AC纤维沥青混合料性能试验研究[J].重庆交通学院学报, 2006, 25 (6) :63-67.

[8]王发洲, 张运华, 刘小星.混杂纤维增强沥青混合料的性能研究[J].湖南科技大学学报 (自然科学版) , 2008, 23 (2) :71-75.

沥青纤维 篇5

關键词：沥青混凝土;纤维加强;实验特性;使用方法;优点

现代公路对路面的要求越来越高，沥青混凝土路面以其优良的平稳性、防摩擦性和维护的便捷性备受人们青睐。为了更好的提升沥青混凝土路面的性能，工程师们进行了很多尝试，出现了例如改性沥青、SMA等沥青路面新技术。这些技术取得了很好的效果，但是因为操作难度大，所以很难大范围的推广，在这样的条件下，纤维加强沥青混凝土应运而生。

一、纤维加强沥青混凝土的研究现状和研究内容

• 纤维加强沥青混凝土的研究现状

第一，国外研究现状。1968年，德国首次提出了在沥青混凝土中加入纤维来改变沥青混凝土的特性的方法，并且取得了显著的效果，明显的增加了经济效益和社会效益。从上个世纪八十年代开始，美国、加拿大等欧美国家也陆续的开始了对纤维加强沥青混凝土的研究，并取得了很好的成果。例如美国的Kapejo（卡佩雅）公司的Bonifibers（聚酯纤维）已经成为了专利品牌，在10000多个工程中得以使用[1]。虽然，国外纤维加强沥青混凝土的使用历经的时限很长，使用范围也很广，但是纤维沥青混凝土的配料问题没有做出明确的说明。

第二，国内研究现状。我国在上个世界九十年代才引进纤维加强沥青混凝土的使用方法，而且是在引入SMA路面结构的时候出现了纤维添加剂，才开始慢慢的开始关注纤维沥青产品。1992年同济大学的李立寒先生翻译了《路用聚酯纤维沥青混合料》一文，在文中通过马歇尔混合料的设计，分析了纤维长度、细度和使用量对沥青混合料性能的影响。1993年，石秀坤介绍了玻璃纤维加强沥青路面的使用方法。1996年姚丽在沥青砼路面中加入了横向的纤维绳，对纤维绳对路面抗裂性的影响作出了研究。1998年孙学高通过加入钢钎维制作成功了钢纤维沥青混合料公路面板，并申请获得了专利[2]。虽然，经过了十几年的研究和实验，但是目前我国对于纤维加强沥青混凝土的研究程度还不够深入，对各种关键性的技术问题的研究还不够透彻，随着高速公路的迅速发展，对纤维加强沥青混凝土的研究越来越迫切。

• 纤维加强沥青混凝土的研究内容

本文对纤维加强沥青混凝土的研究涵盖了四个方面的内容：第一方面就是纤维加强路面的研究现状，这一部分在上述内容中已经做了详细的阐述;第二方面就是对纤维加强沥青混凝土的水稳定性和高温稳定性以及低温抗裂性的探究;第三方面是纤维加强沥青混凝土的配料方法;最后一部分就是纤维加强混凝土的优点和使用时的注意事项。

二、纤维加强沥青混凝土水稳性、高温稳定性、低温抗裂性探究

• 水稳定性实验

本实验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的规定，采用残留稳定度实验对纤维加强沥青混合料的水稳定进行了探究，实验结果如下图所示：

根据实验结果我们可以得出以下结论：

第一，加入纤维的沥青混凝土的水稳定性得到了改善，虽然纤维的加入增加了混凝土的空隙率，但是同时也增加了沥青膜的厚度，导致沥青混凝土的抗水性增强。

第二，矿物级配越细，加入纤维后的水稳定性的改善越大。

第三，在上述实验的三种纤维中，加入木质纤维的沥青混凝土的水稳定性最好。

• 高温稳定性实验

对于沥青混凝土的高温稳定性的实验我们采用车辙试验的方法来进行，试验结果如下：

通过车辙试验的结果，我们可以得到以下结论：

第一，没有加入纤维的沥青混凝土在实验过程中的车辙印记比较深，隆起程度高，加入纤维的沥青混凝土则车辙印记比较浅，隆起的程度也不高。

第二，通过动稳定度的结果可以看出，加入纤维的沥青混合物抗车辙性能比较高。

第三，在上述实验的三种纤维中，聚酯纤维更能够增强沥青混凝土的抗车辙性。

• 低温抗裂性实验

纤维加强沥青混凝土的低温抗裂性实验通过J-积分实验来进行，实验结果如下：

通过实验结果，我们可以得到如下结论：

第一，较粗级配的低温性比较差，较细级配的低温性能比较好。

第二，同一级配中，级配上限的沥青混凝土加入纤维后的低温性能比级配中值加入纤维后的低温性能好，并且级配上限的沥青混凝土加入纤维后的低温性能提升的幅度更大。

第三，总体看来，加入纤维后的沥青混凝土的低温性能普遍得到了提高，同时聚酯纤维对沥青混凝土低温性能的提高作用最大。

三、纤维加强沥青混凝土的配料方法

（一）纤维加强沥青混凝土配料的基本情况如下：

第一，沥青使用兰炼—90.

第二，纤维的使用主要有三种类型，第一种是聚酯纤维，第二种是有机纤维，第三种是矿物纤维。

第三，矿料的使用主要有石灰岩碎石、砂子、石灰岩矿粉。

第四，矿物级配采用两种级配，一种是AC-16I，另一种是AC-13I，还有一部分采用AC-20I[3]。

• 纤维加强沥青混凝土配料使用的建议：

第一，纤维加强沥青混凝土使用的混凝土类型建议使用连续性密级配I型沥青混凝土。在确定掺入矿料的比例的时候，可以将通过量控制在475mm之内，以达到最大限度接近级配上限的目的，从而将纤维的性能得以很好的发挥[4]。

第二，加入纤维之后，会增加沥青混凝土的最佳用油量。所以，如果要提高纤维加强混凝土的高温性能的时候，可以不改变原有的沥青砼的最佳用油量;如果要提高纤维加强沥青混凝土的高低温性能或者高、低温性能兼顾的时候，就要根据实际情况重新确定沥青混凝土的最佳用油量，或者在调整施工配合比的时候，酌情增加0.2%—0.6%的油量[5]。

第三，在加入纤维之后，要适当的延长沥青混凝土的搅拌时间，首先将纤维和矿料进行干拌，时间大概控制在20秒和30秒之间，干拌完成之后再进行湿拌，保证纤维能够均匀分布[6]。

第四，纤维加强沥青混凝土的碾压过程要在正常碾压的基础上增加两遍。

四、纤维加强沥青混凝土的使用优点和注意事项

第一，纤维加强沥青混凝土路面的优点。纤维加强沥青混凝土在很大程度上提高了路面的水稳定性，使路面能够经受较高温度的磨损，增强了路面的抗磨擦性，同时减小了路面在低温情况下出现裂变的可能。纤维加强沥青砼提高了路面的安全性和美观性，同时延长了公路使用寿命，为我国公路事业的发展带来可观的经济效益和社会效益。

第二，纤维加强沥青混凝土使用注意事项。由于使用配料不同将会产生不同的效果，所以在纤维加强沥青混凝土的使用过程中要根据实际情况，严格审核配料的质量标准和安全规范，同时在使用过程中要严格把控温度，确保纤维加强沥青混凝土的使用效果。

结语

纤维加强沥青混凝土的研究对纤维加强沥青混凝土的科学使用具有重要的意义，为其提供了规范的指导，提升了使用的科学性和合理性，为公路建设事业的发展做出了巨大的贡献。

参考文献：

[1]张英富，廖碧海，杨涛等.纤维加强沥青混凝土低温抗裂性能试验研究及数值模拟[J].华中科技大学学报（城市科学版），2010，27（3）：31-34.

[2]阿佩多.纤维增强沥青混凝土路面界面性能研究[D].大连海事大学，2010.

[3]马勇，李超，赵兢等.高寒地区聚酯纤维加强改性沥青混凝土桥面铺装施工工艺简述[J].黑龙江交通科技，2011，（9）：184-184..

[4]王延鹤，郝荣波.探讨加强纤维沥青路面应用及其耐用性能[J].科技致富向导，2011，（21）：290.

[5]林勇.博尼维沥青混凝土纤维加强筋性能浅析[J].中国科技财富，2009，（8）：17.

纤维橡胶沥青混合料性能试验研究 篇6

关键词：纤维,橡胶,沥青混合料

我国的许多沥青路面建成不久后就出现了表面性能低下、车辙与开裂等早期破损严重的问题, 为了减轻沥青路面上述的这些病害, 满足高速行驶的舒适性、安全性和经济性, 就必须改善和提高沥青混合料的路用性能, 从而提高沥青路面的使用性能。近年来, 对沥青进行改性, 或在混合料中掺加其它材料如改性剂, 这些都是当前受到国内外普遍重视和青睐的先进技术, 特别是用废旧橡胶粉对沥青进行改性, 既可以提高沥青及沥青混合料的路用性能, 又能对废旧轮胎变废为宝, 解决环保难题, 更是受到了普遍关注。与橡胶沥青改性一样, 纤维改性沥青由于其对路用性能改善效果好、施工简单同样受到国内外普遍重视。本文对纤维橡胶沥青混合料的路用性能进行试验分析。

1试验材料及级配确定

1. 1试验材料

本文采用的橡胶沥青为室内改性沥青, 其25℃ 针入度为77 ( 0. 1mm) 、针入度指数为0. 17、5℃ 延度为38cm、软化点为72℃ 、135℃ 运动粘度为1. 206Pa. s、闪点为315℃ 、溶解度为99. 6% 、25℃ 弹性恢复为95% ; 老化后的质量损失为0. 032% 、针入度比为76% 、5℃ 的延度为24cm。

本文试验所用集料洁净、干燥、无风化、无杂质, 其压碎值为13. 3% 、磨耗值为19. 3% 、吸水率为1. 29% 、其与沥青的粘附性等级为5级、坚固性为3. 1% 、细长扁平含量为4. 8% 、磨光值为48、冲击值为16% 、软石含量为2. 7% 。所用的矿粉视密度为2. 731、含水量为0. 231% 、亲水系数为0. 65% , 从试验指标可知, 本次所用集料和矿粉均符合现有规范的要求。

试验所用的纤维为聚酯纤维, 该纤维的直径为10 ~ 25um、抗拉强度大于960Mpa、弹性模量大于9600Mpa、其颜色为白色、断裂延伸率为15 ~ 50% 、材料的燃点高于570℃ 。

1. 2级配确定

由于橡胶粉和沥青的化学成分不完全相同, 橡胶改性沥青, 其产物是橡胶粉和沥青的共混体系, 两者之间的相互作用十分复杂, 橡胶沥青混合料级配不能直接套用规范建议的级配, 需另外通过试验确定。本文试验了AC - 13的上限、中值、下限三个级配, 确定最适应于纤维改性橡胶沥青的混合料级配。根据试验确定了AC - 13的上限、中值、下限三个级配对应的沥青用量分别为4. 9% 、4. 8% 和4. 7% , 对应上限、 中值、下限三个级配时, 动稳定度为3502次/mm、5625次/mm、4880次/mm; 冻融劈裂比分别为85. 4% 、87. 2% 、86. 4% , 浸水马歇尔残留稳定度比分别为90. 3% 、93. 2% 和92. 2% ; 破坏弯拉强度分别为10. 43Mpa、11. 61Mpa、11. 23Mpa。因此综合沥青混合料的性能试验可知, AC - 13的级配中值性能较为良好, 故本次选用级配中值。

2纤维用量对橡胶沥青混合料性能影响

根据上文选取的级配, 掺加不同含量的纤维, 分别是沥青混合料的0. 15% 、0. 25% 、0. 35% , 对不同纤维掺量的橡胶沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性能、耐疲劳性及水稳定性进行比较。

2. 1纤维用量对应的沥青用量

纤维剂量不同, 则纤维在混合料中的分散程度、有效比表面积、对混合料的加强效果等方面均不相同。根据0. 15% 、0. 25% 、0. 35% 的纤维用量确定沥青混合料的最佳沥青含量, 并室内成型马歇尔试件, 确定了相应的沥青用量。结合试验, 本次得到了不同纤维用量下对应的沥青用量和体积参数分别如下: 当纤维用量为0% 时, 对应的最佳油石比为4. 7% 、空隙率为4. 16% 、VMA为14. 2% 、VFA为70. 5% 、稳定度为13. 52k N、流值为30. 16 ( 0. 1mm) ; 当纤维用量为0. 15% 时, 对应的最佳油石比为4. 9% 、空隙率为4. 11% 、VMA为14. 6% 、VFA为72. 5% 、稳定度为14. 1k N、流值为31. 8 ( 0. 1mm) ; 当纤维用量为0. 25% 时, 对应的最佳油石比为5. 1% 、空隙率为4. 07% 、VMA为14. 9% 、 VFA为72. 8% 、稳定度为14. 16k N、流值为32. 16 ( 0. 1mm) ; 当纤维用量为0. 35% 时, 对应的最佳油石比为5. 2% 、空隙率为4. 13% 、VMA为15. 2% 、VFA为72. 5% 、稳定度为13. 82k N、流值为33. 16 ( 0. 1mm) 。

2. 2纤维用量对应的沥青混合料高温性能

本文采用车辙试验进行高温稳定性的考察。通过试验不同纤维用量下的动稳定度试验, 其结果为纤维用量为0% 时, 纤维橡胶沥青的动稳定度为4889 ( 次/mm) 、纤维用量为0. 15% 时, 纤维橡胶沥青的动稳定度为6772 ( 次/mm) 、纤维用量为0. 25% 时, 纤维橡胶沥青的动稳定度为4483 ( 次/mm) 、纤维用量为0. 35% 时, 纤维橡胶沥青的动稳定度为2962 ( 次/mm) 。

从试验结果可以得出, 随着纤维含量的继续增加, 动稳定度出现峰值后开始下降, 峰值的动稳定度对应的纤维含量在0. 15% 左右。这是因为继续增加的纤维在混合料中出现成团现象, 混合料孔隙率增大, 矿料之间的作用力下降, 混合料高温稳定性降低。

2. 3纤维用量对应的沥青混合料低温性能

沥青混合料面层低温开裂是路面破坏的最常见形式之一, 本课题采用小梁低温弯曲试验来评价纤维橡胶沥青混合料的低温抗裂性。不同纤维含量的橡胶沥青混合料小梁低温弯曲试

验结如下: 纤维用量为0% 时, 其弯曲应变为1380με、破坏弯曲强度为11. 23Mpa、弯曲劲度模量为8145Mpa; 纤维用量为0. 15% 时, 其弯曲应变为1411με、破坏弯曲强度为12. 83Mpa、弯曲劲度模量为9110Mpa; 纤维用量为0. 25% 时, 其弯曲应变为1380με、破坏弯曲强度为11. 23Mpa、弯曲劲度模量为8145Mpa; 纤维用量为0. 35% 时, 其弯曲应变为1143με、破坏弯曲强度为9. 38Mpa、弯曲劲度模量为8215Mpa。

从试验结构可知, 在一定范围内, 纤维的加入, 橡胶沥青混合料的抗拉强度随着纤维含量的增加而增强, 纤维加入后沥青用量增加, 而且沥青稠度随轻组分物质被吸附而变硬, 使沥青劲度增大, 沥青与矿料间的界面强度相应增加。因而纤维加入后, 混合料的抗拉强度比普通混合料的要高得多。从劲度模量来看, 纤维的加入, 劲度模量均有所增大, 这似乎表明纤维降低了橡胶沥青混合料的低温抗裂性能。

2. 4纤维用量对应的沥青混合料水稳定性能

沥青混合料路面的水损害破坏, 是指沥青路面在水存在的条件下, 经受交通荷载和温度胀缩的反复作用, 水份逐步侵入到沥青与集料的界面之间, 同时由于水动力的作用, 沥青膜渐渐地从集料表面剥离, 导致集料之间的粘结力丧失而发生的路面破坏过程。不同纤维含量的橡胶沥青混合料水稳定性试验结果如下: 纤维用量为0% 时, 纤维橡胶沥青的冻融劈裂强度比为86. 4% 、残留稳定度为92. 2% ; 纤维用量为0. 15% 时, 纤维橡胶沥青的冻融劈裂强度比为87. 4% 、残留稳定度为93. 2% ; 纤维用量为0. 25% 时, 纤维橡胶沥青的冻融劈裂强度比为82. 9% 、残留稳定度为92. 4% ; 纤维用量为0. 35% 时, 纤维橡胶沥青的冻融劈裂强度比为77. 5% 、残留稳定度为87. 5% ;

从试验结果可知, 纤维加入后, 在纤维剂量不大时, 冻融劈裂强度比和残留稳定度值随着纤维含量的增加均有一定的增加, 峰值对应的纤维含量在0. 15% ~ 0. 20% 之间。从沥青和集料的接触界面考虑, 纤维加入后, 混合料的最佳沥青用量有不同程度的增加, 由于纤维的吸附作用, 沥青中的轻组分物质多吸附在纤维表面, 使得沥青稠度增加, 矿料表面的有效沥青膜厚增厚, 而且稠度高的沥青能更好地与集料相作用, 也就加强了沥青混合料中沥青与集料形成的界面。

3结论

本文采用橡胶沥青, 纤维采用聚酯纤维, 通过拟定的上限、中值、下限三种密级配AC - 13的路用性能试验对比, 确定了下限级配作为纤维改性橡胶沥青混合料的最优级配。分别掺加沥青混合料的0. 15% 、0. 25% 、0. 35% 的纤维, 计入不加纤维的橡胶沥青混凝土进行一系列的沥青混合料性能试验。

通过试验可知, 随着纤维含量的继续增加, 动稳定度出现峰值后开始下降, 峰值的动稳定度对应的纤维含量在0. 15% 左右; 在一定范围内, 随着纤维的加入, 橡胶沥青混合料的抗拉强度随着纤维含量的增加而增强; 纤维加入后, 在纤维剂量不大时, 冻融劈裂强度比和残留稳定度值随着纤维含量的增加均有一定的增加。

参考文献

[1]董瑞琨, 孙立军.基于长期自然老化的沥青结合料低温抗裂性指标[J].高分子材料科学与工程, 2006, 22 (2) , 111~114.

[2]张争奇, 王永财.沥青胶浆对沥青混合料高低温性能的影响[J].长安大学学报, 2006, 26 (2) :1~5.

纤维沥青混凝土路面设计研究 篇7

1 聚酯纤维对沥青混凝土性能的改善

聚酯纤维加强沥青混凝土是在普通沥青混凝土中加入0.3%成品聚酯纤维经拌和的沥青混合料,其施工工艺为将聚酯纤维直接加入沥青混合料中拌和。以魏峰线魏县试验段为例,其加入聚酯纤维后的马歇尔试验、车辙试验、劈裂试验等结果如下。

1.1 马歇尔试验结果

根据共同矿料用量百分比,一种加入聚酯纤维,另外一种不加入聚酯纤维,分别制成马歇尔试件测定其物理指标及稳定度和流值(见表1)。

1.2 车辙试验结果

按照确定的最佳油石比,根据JTJ 052-2000公路工程沥青混合料试验规程要求测得加聚酯纤维的混合料动稳定度为4.427次/mm,而不加聚酯纤维的沥青混凝土动稳定度为3.887 8次/mm,提高14%。

1.3 劈裂试验结果

试验采用马歇尔试件,试验条件按JTJ 052-2000公路工程沥青混合料试验规程要求进行,结果在温度15 ℃的劈裂强度提高11%,温度-10 ℃的劈裂强度提高20.4%。

1.4 残留稳定度试验

按马歇尔最佳油石比成型马歇尔试件,在60 ℃水温中保湿48 h进行测试,试验条件均满足JTJ 052-2000要求,其残留稳定度与未加入纤维制件相比提高5.2个百分点。

1.5 冻融劈裂试验结果

冻融劈裂试验实践采用马歇尔试件,试验条件为真空容器中抽气15 min,泡水0.5 h,然后放入低温箱中(-18 ℃)保持16 h,取出后立即放入60 ℃恒温水浴中浸泡24 h,再取出置于25 ℃水中不少于2 h,然后进行劈裂试验,其冻融劈裂强度提高51%,冻融劈裂强度比提高14.2个百分点。

2 矿物纤维对沥青混凝土的性能改善

2.1 增强沥青粘弹性

矿物纤维加入量不受沥青溶解度的限制,故增粘作用不受限制;同时,纤维的增弹性与温度无关,所以不损害沥青的低温韧性,在高温下当沥青的粘度降低时,可有效补偿沥青,有效解决车辙变形问题。试验结果表明,添加矿物纤维在25 ℃时可提高沥青混合料弹性模量20%,但在40 ℃时却可提高50%,说明矿物纤维提高沥青混合料弹性模量随温度的升高而提高。

2.2 对沥青混合料增强作用

纤维对沥青混合料的增强作用与其他材料(如改性剂)不同,如沥青改性剂受加入量的限制存在作用封顶现象,而纤维的增强作用巨大,往往随纤维加入量的增加而线性增加,对于短纤维增强复合材料的强度与纤维强度及纤维加入量成线性正比关系。由于纤维的增强作用,沥青的蠕变量和蠕变速率降低,一方面将大幅减少永久蠕变的产生,提高路面的抗车辙能力;另一方面可大大降低蠕变产生疲劳损伤,从而提高沥青路面的使用寿命。

2.3 对沥青混合料的韧性影响作用

纤维的增韧作用来自于纤维与基体材料因材料性质差异,纤维与基体界面附近形成的残余应力应变场及显微裂纹。这种残余应力应变要么来自于纤维和基体材料因热膨胀系数的巨大差异,要么是因为纤维在某一温度下相变而产生的体膨胀。试验表明,增韧效果与纤维的加入量成正比,增韧效果与纤维本身的强度和韧性无关。

3 不同纤维类型的选择

通过以上纤维的不同作用,可结合实际情况选择纤维。通常纤维类型的选择要在满足路用性能的基础上,结合纤维特性与经济性综合考虑以下几方面:1)拌和分散性。纤维的分散性对沥青混凝土的力学性能有很大影响。分散均匀性是选择纤维的前提条件。聚酯纤维等有机纤维在拌和中均易分散均匀,木质素纤维干拌时分散性较差,若吸水受潮后分散性将更差,玻璃纤维较粗时在混合料中易折断,细时分散性差易结团。2)纤维的沥青吸附能力。有机纤维吸附能力最差,玻璃纤维次之,木质素纤维吸附沥青能力最好。纤维吸附沥青能力的大小主要与比表面积、纤维表面粗糙程度、纤维组成结构等有关。应根据沥青混合料的类型确定选用的纤维类型。3)改善沥青路面力学性能的优劣。多种纤维都有改善高温稳定性能、低温抗裂性、耐水性和抗疲劳特性,聚酯纤维和聚丙烯腈等有机纤维综合改善性能好,木质素纤维对沥青的稳定作用强。4)与混合料的结合性。只有粘结较好的纤维,才能将混合料内部的拉应力通过纤维进行传递,起到加筋和阻止断裂的作用,其与混合料的粘结力要能保证纤维在受拉时不会被拉出,因此它是选择纤维时需重要考虑的一点。5)纤维强度的大小。纤维的弹性模量与强度必须与混合料相匹配。若纤维的强度太小,不利于沥青混凝土强度的整体提高;若纤维本身的强度和模量太大,与沥青混合料的界面强度不匹配,对短纤维而言,纤维与沥青混凝土结合处剪切应变不协调,会出现应力集中,混合料整体强度下降。采用聚酯纤维做普通沥青混凝土加筋料较为适宜。

4结语

在纤维沥青混凝土设计中首先是纤维类型的选择,然后应根据所用的矿料级配选择3种不同的纤维剂量,按马歇尔设计方法确定不同纤维剂量下的最佳沥青用量,然后在各自最佳的沥青用量下进行高温稳定性和水稳性试验,分别绘出纤维剂量与残留稳定度和动稳定度的关系曲线,将得出的纤维最佳剂量与满足规范要求的指标相比较,最后综合高温稳定性、经济性等因素确定工程使用最佳剂量。

参考文献

[1]JTG F40-2004,公路沥青路面施工技术规范[S].

[2]陈华鑫.纤维沥青混合料配合比设计方法初探[J].公路,2003(6):88-89.

沥青纤维 篇8

沥青路面不但受车辆荷载作用,而且还会受到环境荷载的作用,在温度降低时路面结构收缩导致沥青路面结构内部产生的拉应力超过沥青混凝土的抗拉强度而开裂。有的是由于车辆荷载和环境荷载的双重作用,造成路面结构的疲劳开裂。在法国J.P.Serfass等人用石棉纤维、玻璃纤维等纤维,与多种混合料级配包括细粒式、特细粒式密级配沥青混凝土、升级配沥青混凝土、透水式沥青混凝土进行多种组合,作了大量的混合料试验,并对沥青混凝土作为磨耗层的试验路进行了长达十几年甚至二十多年的观测,研究得出各种加纤维的试验路段在抗水损害、抗低温开裂、抗剪、阻止集料移动等方面都有所提高,特别是抗老化性能突出。如今在美国等发达国家路用纤维已进入商品化生产。在国内,为了有效阻止裂缝的扩散和发展,许多建设单位采用在沥青混合料中掺加加筋纤维的方法提高路面结构强度和改善路面使用性能。通过室内试验,针对聚脂纤维沥青混合料的路用性能进行研究,并与普通沥青混合料的性能进行分析比较。

2 试验材料

2.1 集料性质

粗集料采用玄武岩,细集料采用干净的天然砂,矿粉为石灰岩磨细得到。集料和矿粉的各项物理化学指标均满足高速公路的集料规范要求。

2.2 沥青

采用辽河AH-90号沥青,其各项指标均满足高速公路施工规范要求。

2.3 纤维性能

采用两种长度的聚酯纤维。其性能指标如表1。

3 沥青混合料试验

为评价聚脂纤维沥青混合料的性能,需要从多个方面进行综合试验,只有在全面分析研究的基础上,才能对沥青混合料给出一个客观的评价。本文主要通过以下几个方面研究其路用性能。试验的沥青混合料为AC-16I型沥青混凝土,级配如表2,并进行以下三种沥青混合料的比较:①AC-16I加12mm纤维;②AC-16I加6mm纤维;③AC-16I不加纤维。纤维掺量均为混合料总重的0.3%。

3.1 室内马歇尔试验

通过室内马歇尔试验,结果如表3。

从表3可以看出,加入纤维后,在满足基本相同的空隙率条件下,最佳沥青用量增加0.4%,密度有所下降,稳定度上升,流值上升。两种纤维的结果虽然有所不同,但是规律完全相同。

3.1.1 最佳沥青用量增加的原因分析

(1)纤维的直径很小,单位质量的比表面积很大,纤维表面会吸附一定量的沥青,从而使沥青用量增加。

(2)加入纤维后,沥青混合料在击实过程中会有反弹现象,不易击实。为了满足相同的空隙率要求,从而需要较大的用油量。

3.1.2 实测密度下降的原因分析

在标准击实次数下,掺入纤维的马歇尔试件密度要比未加纤维的马歇尔试件低,这一方面是由于纤维的密度较小,虽然掺量较少,但体积比较大,故沥青混合料密度要有所降低。

3.2 沥青混合料的水稳定性

采用冻融劈裂试验,用残留强度评价沥青混合料抵抗水损害的能力,以验证其水稳定性。试验结果见表4

从表4可以看出,A纤维的冻融劈裂强度比有所提高,而B纤维的冻融劈裂强度比却降低了很多。加入A纤维后的沥青混合料能符合高速公路水稳性指标,而B纤维加筋沥青混合料未能满足高速公路水稳性指标。

3.3 沥青混合料的低温性能

采用小梁弯曲试验进行评价。采用弯曲强度、弯曲破坏应变与弯曲劲度模量指标,并以-10℃的弯曲试验评价其抵抗低温收缩开裂的性能。采用低温劈裂蠕变试验,以某一应力水平下蠕变速率评价加筋沥青混合料的变形能力。

低温小梁弯曲试验的结果见表5。

结果分析:

(1)通过-10℃小梁弯曲破坏试验可以发现,加入纤维后小梁弯曲强度有所降低,而加纤维A降低较多。这说明纤维对于提高弯曲破坏强度没有作用。

(2)加入纤维后,梁底破坏拉应变比不加纤维的小梁有明显的提高,纤维A提高幅度较大。这说明加入纤维后低温抗裂性有所提高,特别是纤维A的低温性能更好。原因主要是纤维在沥青混合料中均匀分布起到了分散沥青胶浆的拉应力,阻止沥青混合料微裂缝的发展,从而使变形能力增加。

3.4 沥青混合料的高温性能

采用车辙试验,用动稳定度指标评价加筋沥青混合料抵抗高温车辙的能力,以验证其高温稳定性。

结果分析:

(1)在沥青混合料中掺入聚酯纤维后,动稳定度都有显著的提高,这说明加纤维后沥青混合料的抗车辙性能得到很大改善,尤其是B纤维对于高温稳定性能的贡献比较大。

(2)在车辙试验后比较各个车辙试件可以发现,不加纤维的沥青混合料车辙深度比较大,而且在轮迹旁边隆起现象比较严重。而加入聚酯纤维的车辙试件轮迹较浅,轮迹旁基本无隆起现象。这说明加入聚酯纤维后,均匀分布的纤维能有效阻止剪力作用下集料颗粒的移动,降低永久变形,改善混合料的高温性能。

(3)在动稳定度指标上,B纤维比A纤维提高的幅度要大得多,说明对于AC-16I沥青混合料而言,6mm纤维在高温性能上要优于12mm纤维。

4 结论

(1)从马歇尔试验来看,沥青混合料加入纤维后最佳沥青用量增加,使结构沥青膜厚度增加,从而提高了沥青混合料的粘聚力;密度下降,而稳定度和流值上升。

(2)沥青混合料中加入聚脂纤维后可以显著的改善其高温稳定性,低温抗裂性能也有很大的提高,这有助于延长沥青路面使用寿命。

(3)从试验结果来看,加入不同聚脂纤维对沥青混合料的水稳定性效果不同,这说明采用聚脂纤维加筋沥青混合料中聚脂纤维应通过试验进行合理的选择。

(4)沥青混合料中加入纤维可以使混合料的某些性能指标得到较大幅度的改善,而对某些性能没有促进,甚至会降低。因此在使用过程中应根据工程的交通和气候条件,通过试验做出科学的决策。

参考文献

[1]JTJ014-97,公路沥青路面设计规范[S].

[2]沈大路改扩建工程路面加铺技术研究报告[R].辽宁省交通勘测设计院,哈尔滨工业大学交通学院,2005.

萘基中间相沥青制备碳纤维 篇9

本研究采用3种不同反应程度的萘基中间相沥青制备碳纤维,主要针对沥青分子结构、纺丝性能以及最佳纺丝工艺所对应的碳纤维拉伸性能和截面形貌作进一步的阐述,以期获得可纺萘基中间相沥青的最佳反应程度、制备工艺及对应的沥青、碳纤维性能结构规律。

1 实验部分

1.1 原料和方法

以精萘为原料,催化合成萘基中间相沥青,通过改变催化剂配比、聚合时间、温度获得不同反应程度、各向异性含量80%~100%的中间相沥青。

碳纤维的制备:中间相沥青碾碎成细末装入气压式单孔纺丝釡内,在保护气下升温到预定温度后,加压纺丝。喷丝板微孔直径D=0.3mm,微孔长L=0.9mm。收丝速率100~1000m/min, 沥青原纤经自制管式不熔化炉空气氧化、管式炭化炉氮气氛围1000℃炭化处理, 获得中间相沥青碳纤维。

1.2 参数测定和结构表征

软化点测定采用针入法[9]测定;族组成分析采用索氏抽提器依次以正庚烷、甲苯、吡啶等3种溶剂对沥青进行抽提;热重分析采用NETZSCH STA 409 PC/PG型热分析仪,氩气气氛,升温速率5℃/min;各向异性含量估测通过德国Leitz-ORTHO-POLT-1350型热台偏光显微镜进行;元素分析使用德国Elementar公司Vario EL cube元素仪进行分析,计算其氢炭比;红外光谱分析由美国DigilabFTS-25Pc型傅立叶-红外光谱(FT-IR)仪进行表征,KBr压片,分辨率RES=4cm-1;表面形态通过LEO438VP扫描电镜观察碳纤维的横截面形貌;碳纤维强度采用上海太仓YG-001型单纤维电子强力测试仪,随机测量20根碳纤维获得平均强度。

2 结果与讨论

2.1 萘基中间相沥青的基本参数分析

表1为3种沥青的基本性能参数。

注:SP,HS,TI,PI,TI-PS和AC分别为软化点、正庚烷可溶、甲苯不溶、吡啶不溶、甲苯不溶-吡啶可溶以及各向异性含量。

与石油系、煤系中间相沥青相比,萘基中间相沥青在较低的软化点时就拥有较高的中间相含量。且一般情况下,前者H/C在0.45~0.57范围内[10],而此3种沥青H/C较高(0.565~0.65),说明萘基中间相沥青保留了较多的烷基、未取代芳氢[11]和环烷结构 [2]。

沥青A的中间相含量只有80%,进一步调制(即沥青B、C)以脱除一定的氢为代价,主要为缩合脱氢反应或富氢组分的脱除。沥青A相对B、C收率高出近10%, 且HS组分含量较大,还含有一定数量的低分子组分,随着反应程度的加深,低分子组分脱除或参与到体系反应中,在AC达到100%后,SP继续提高(由B到C),PI含量持续增加,但此时H/C变化幅度减小,收率变化趋于稳定。

2.2 萘基中间相沥青的热稳定性

沥青的热稳定性对制备碳纤维的工艺有直接影响[7]。实验采用氮气下的热重分析考察萘基中间相沥青A、B、C在不同温度下的热失重情况,同时与日本三菱公司萘基中间相沥青AR以作比较,见图1。

如图1所示,沥青A、B、C失重起始温度分别在340℃、345℃、350℃,500℃热失重为20%、14.5%、13%,370℃热失重分别为1.67%、1.17%、0.4%。而AR沥青失重起始温度为340℃,370℃热失重为1.51%,相比之下,本研究合成的3种沥青,热稳定性是比较理想的。

4种中间相沥青在340℃之前变化较小,380℃以后急剧失重。急剧失重主要是沥青在熔融缩合过程中释放低分子量化合物以及化合物侧链断裂而引起[12]。可以认为,萘基中间相沥青存在一个热稳定温度区间,体系温度超过此区间,沥青反应活性非常高,此区间随反应程度的提高而略有后移却变化幅度不大,即软化点大幅提高的同时,热稳定性变化较小,这可能是由于萘基中间相沥青在这一阶段的热稳定性能更依赖于其分子结构。

2.3 萘基中间相沥青的结构

为进一步了解不同反应程度萘基中间相沥青的变化规律,采用红外光谱对3种沥青进行对比分析,以期对不同反应程度沥青的分子结构及其对应特性有更好的认识。

如图2所示,3种沥青的红外图谱在750~870cm-1、1450cm-1、2700~2970cm-1显示出强烈的振动。它们分别是C-H的伸缩振动、亚甲基的弯曲振动和芳环的面外振动。指纹区870、810、750 cm-13个吸收峰很强,3050 cm-1处芳香C-H伸缩振动峰较强,表明这类沥青中含有大量多核稠环芳烃。1380、1450、2920 cm-1处吸收峰较明显,即C-H弯曲振动峰较强,表明3种沥青中都含有一定量甲基侧链和环烷结构[2,3]。从A沥青到B、C沥青,随软化点升高,750~870cm-1、1500cm-1、2700~2970cm-1处吸收峰减弱,说明在萘基中间相沥青的后期聚合处理过程中,发生了缩合脱烷基反应或者是富烷基组分从体系中脱除。B、C 2种沥青的红外图谱无明显区别,结合表1分析,H/C比变化也非常小,但体系软化点得到较大提高,并生成了大量PI组分。这一阶段可能分子结构趋于稳定,体系主要以大分子间非脱氢缩合和中间相分子进一步的物理重排(大п-п更稳定键合)为主,且较轻微的化学构成变化使得沥青的物理性质有很大的区别。

2.4 沥青的纺丝性能

通过对A、B、C 3种原料进行熔融纺丝,就其可纺性能作进一步探讨。如表2,纺丝连续性以不断丝的情况下收丝长度计量。

通过实验观察,与通用级沥青相比,萘基中间相沥青很少出现粘板、打圈、螺旋丝等现象。从表2可看出,沥青A、B具有较好的可纺性,且可纺温度位于热稳定温度区间以内。而沥青C纺丝牵伸性较差,升高纺丝温度至热稳定区以上后(380℃),沥青反而因硬化变得更难以纺丝。参照Isao Mochida 所提出的“蛛网”结构模型[1,4,5],萘基中间相沥青含有一定量的低分子组分,通过п-п键合参与中间相构成,温度低于某一定值时,体系热稳定性优异,因而可纺性非常好。 但是,一旦高于此温度,则低分子组分不再受п-п键束缚,从而逸出体系或者发生缩合、断链分解产生小分子,使体系可纺性发生变化(见表2的C-1、C-2、C-3),甚至沥青变硬,直至不可纺。

对于高软化点沥青C,影响其纺丝性能的主要表观因素为脆性断裂口,即牵伸应力断裂[13],增大挤出压力依然不能得到稳定的连续性,这是由于C沥青在纺丝温度下黏度较大,沥青不能有效贮存施加在纤维上的外应力,抗张强度低,易发生脆性断裂。而较低软化点沥青A、B的可纺性相当可观,从表2可以看出,无论是高压(0.75~1.0MPa)还是低压(0.2MPa)纺丝,都表现出萘基中间相沥青无可比拟的优势。

2.5 纺丝工艺及其碳纤维性能

中间相沥青的纺丝成型,温度与压力的关联非常紧密[14],很难将二者分而述之。萘基中间相沥青软化点较低、可纺区间较宽,鉴于此,我们针对A、B、C 3种沥青,选择其好纺的温度区间,考察纺丝温度及压力对碳纤维性能的影响,见图3和图4。

从图3、图4可知,适当提高纺丝温度,采用较低压力,所得碳纤维具有更高的拉伸性能。萘基中间相沥青可纺区间相对较宽,采用高温(热稳定温度区间内)低压纺丝,纺丝稳定性更好,尤其是细旦化,这可能是高温低压可以有效的减少熔体内应力造成的破裂[13],因而更容易制备缺陷较少的沥青纤维。Seong-Ho Yoon等通过对低软化点萘基、甲萘基中间相沥青及其混合沥青的纺丝进行研究,同样在较高温度获得结构较理想的碳纤维,并认为低黏度是使中间相分子簇相对毛细壁取向而形成洋葱结构[15] 的关键。

2.6 碳纤维截面形貌分析

采用扫描电镜分析3种沥青原料分别所对应的最佳拉伸强度碳纤维,即沥青丝A-2、B-3、C-3所制备的碳纤维A-2-C、B-3-C、C-3-C,其中,A-2-C有一定数量的劈裂,B-3-C几乎无劈裂现象,C-3-C有大量劈裂。图5分别为3种沥青碳纤维的截面形貌SEM筛选图。A-2-C纤维截面光滑平整、沿径向无明显取向,但劈裂很明显,可能与其软化点、C含量较低有较大的关系,较多的各向同性组分,使沥青A所纺纤维在炭化时,由于轻组分容易溢出,极易破坏其结构形成劈裂。B-3-C纤维截面外层有一圈2μm光滑无取向结构,中心6~8μm呈轻微辐射状略带小褶皱结构,其纤维具有良好的力学性能。C-3-C纤维截面是典型的辐射状结构,具有明显的径向取向痕迹。结合前文对纺丝性能的分析,低黏度条件下,各向异性分子沿

毛细壁取向,因而可以获得截面结构较好的碳纤维[15]。但要使碳纤维轴向取向性更优良,并进行结构设计,需要对原料、制备工艺进行更细致的探索。

3 结论

(1) 萘基中间相沥青B软化点适中(260℃),PI含量较低(41%),采用高温低压纺丝,经不熔化、炭化,获得拉伸性能较好的碳纤维,碳纤维外层2μm光滑无取向,中心6~8μm呈轻微辐射状略带小褶皱结构。

(2) 萘基中间相沥青存在一热稳定温度区间,高于此温度区间纺丝,沥青的纺丝性能发生较大变化。且这一温度区间随聚合程度的加深仅缓慢升高。

纤维加筋沥青混凝土路面应用技术 篇10

SBS改性沥青可以显著提高和改善沥青混凝土的抗永久变形和低温抗疲劳性能, 但也会对沥青混凝土的其他性能产生不利影响。沥青改性效果的关键在于解决改性剂与沥青相容性问题。目前, 改性沥青技术尚未形成统一的性能评价体系和指标, 对其改性机理缺乏了解。资料表明, 改性沥青的价格要比普通沥青高出1000元以上。因此, 选择采用更符合我国实际情况的路面新材料、新工艺、新技术既可提高沥青混凝土路面的品质, 又不过多增加工程造价, 且施工工艺易于掌握, 便于推广应用, 具有广阔的发展前景。

一、路面加筋合成材料的选择

美国联邦公路局曾在1996~2000年组织开展了对加筋合成物 (纤维强化聚合物复合材料) 高性能钢筋、高性能砼的研究, 以推动高性能材料在道路、桥梁工程中的应用。在普通沥青路面中掺入柔性加筋纤维后, 可提高沥青路面的高、低温稳定性及抗疲劳性, 对抵抗路面反射裂缝有独特的效果, 且具有施工工艺简单、掺加均匀, 耐高温性能好等特点。该技术只是简单地“掺加”, 而不改变矿料的级配, 对矿料的要求远低于SMA, 对施工机械、施工队伍和路用矿料等没有严格的要求, 具有一定的推广应用价值。目前, 国内生产的加筋纤维的主要物理化学性能指标见表1。

加筋纤维的作用。当纤维加入到沥青混凝土中, 纤维与周围基体 (沥青以及沥青胶浆) 、纤维与纤维之间存在着复杂的相互作用。根据各种理论分析结果证明, 纤维不但对沥青具有改性的效果, 同时还会显著地影响沥青混合料的韧性和破坏过程, 即具有改性、加筋和桥联作用, 可显著提高沥青混凝土路面的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性能, 对减少沥青路面反射裂缝具有明显的效果。

自1996年以来, 加筋纤维沥青混凝土路面在我国很多公路建设项目中得到应用, 特别是在部分高速公路沥青路面的应用, 减少了路面病害的发生, 取得了较好的效果。如新疆地区昼夜温差大, 在沥青混凝土中掺加了加筋纤维后, 其抗高温、低温性能明显改善;南京长江大桥两端引桥沥青路面纤维加筋后, 在平均日交通量超过5万辆的重交通下保持了近15年无大修;湖南的耒宜高速公路、河北石黄高速公路以及河南商开、漯驻、三灵等高速公路等均已广泛采取纤维加筋。

通过对纤维加筋路面进行马歇尔试验、车辙试验、低温弯曲试等结果表明, 纤维加筋后能够有效提高沥青混凝土路面的质量, 延长路面的使用年限, 降低公路的养护成本, 提高社会效益和经济效益。

二、纤维加筋沥青混凝土的施工

1. 原材料性能与配合比设计。

纤维加筋沥青混凝土配合比设计与普通沥青混凝土相同, 由于纤维加筋沥青混凝土用于密级配更能发挥纤维的性能, 因此沥青混凝土纤维加筋更适用于密级配沥青混凝土混合料。对沥青混合料中原材料的要求与不掺加纤维时相同。沥青混合料配合比按照马歇尔试验方法确定出最佳沥青用量, 实际用量应在试验确定用量的基础上增加0.2~0.5% (具体用量可根据现场试验确定) , 并不需要特殊的配合比设计。加筋纤维的掺加量可根据现有道路的交通量、工程技术要求 (新建、改建、改造) 确定, 一般新建道路加筋纤维的掺加量可按每吨沥青混凝土混合料5.5~6.5㎏控制。

2. 纤维加筋沥青混凝土的施工工艺。

纤维沥青混合料施工时需注意拌和与碾压。施工中, 纤维应采用专用添加设备投入到沥青混合料拌和机。为了保证纤维在沥青混合料中均匀分布, 同时避免干拌时间过长造成集料过多磨损, 因此应注意控制搅拌时间。在混合料搅拌机中加入集料的同时, 按照要求的掺加量将纤维加入搅拌机中, 先与集料干拌30秒, 再加入沥青进行搅拌25~30秒 (具体搅拌时间以纤维裹覆良好, 未见纤维成团现象为准) , 纤维可不开包整袋投入搅拌机中。为保证纤维沥青混凝土的压实效果, 还要在普通沥青混凝土压实方案的基础上, 增加20t胶轮压路机复压2遍。

沥青混合料的摊铺施工与普通沥青通料相同。

三、纤维加筋沥青路面的主要性能

通过试验分析表明, 加筋纤维经搅拌均匀分布于沥青混合料中, 由于纤维的吸附、稳定及多向加筋作用, 改善了沥青混合料的高温稳定性能。柔性聚酯合成纤维在低温下仍呈柔性, 具有较高的抗拉强度, 沥青混合料中纵横交错的纤维使混合料具有较高的弹性, 能有够效抵抗温度应力, 减少温缩裂缝的产生, 防止反射裂缝的发展。由于纤维丝数量巨大, 且均匀分布的纤维使混合料的劲度模量增加, 因此沥青混合料疲劳耐久性得以改善, 延长了沥青路面的使用寿命。

四、结语

1. 添加加筋纤维能够显著提高沥青混合料的高温抗车辙性能, 有效增加铺装层材料低温时的柔韧性, 改善了沥青混合料的水稳定性。