纤维增强沥青混凝土

纤维增强沥青混凝土（精选8篇）

纤维增强沥青混凝土 篇1

近年来, 在沥青混合料中掺加纤维以改善沥青混合料的路用性能越来越普遍。从早期SMA路面中采用纤维作为稳定剂发展到在多种沥青混合料中加入纤维形成“基体+纤维”复合材料, 充分发挥纤维的吸附、增粘、加筋、阻裂和增韧作用, 在沥青混合料中掺加纤维成为提高沥青路面寿命和解决早期损坏问题的有效方法。目前在道路工程中应用的纤维主要有木质素纤维、聚合物纤维以及矿物纤维。木质素纤维是天然木材或纸质经过化学处理而得到的有机纤维, 具有较好的吸油性, 主要应用于SMA路面。聚合物纤维是高聚合物合成的有机纤维, 如聚酯纤维和聚丙烯纤维, 已经在许多高速公路工程中得到应用。然而这些纤维都存在着一定的缺陷:木质素吸水率高, 不耐高温, 易老化, 拉伸强度低, 加筋作用弱, 在沥青再生过程中燃烧成灰, 不利于沥青再生;聚酯纤维熔点低, 拌合时易融化或受损;早期的矿物纤维为石棉纤维, 其对人类的呼吸系统有较大的危害, 同时污染环境, 应逐步取消使用。玄武岩纤维作为一种新型路用矿物纤维, 以其优良的物理、化学、力学性能, 以及来源广泛、无污染、利于再生的特点, 在道路工程建设中逐渐推广应用[1,2,3,4,5,6,7]

为了探究玄武岩纤维、木质素纤维以及聚酯纤维增强沥青混凝土路用性能的效果, 本研究设计了7种沥青混合料进行室内路用性能试验, 比较其力学性能、水稳定性、高温稳定性、低温性能及疲劳性能, 对比分析不同纤维对沥青混合料路用性能的影响, 为深入研究纤维沥青混凝土增强机理以及工程应用提供参考。

1 试验材料

1.1 混合料类型

目前, 聚酯纤维是密级配沥青混合料中常用的加筋纤维, 木质素是SMA沥青混合料中常用的稳定剂纤维;因此本试验采用AC-13C及SMA-13两种级配, 级配组成见表1。沥青采用PG分级为PG-76-22的改性沥青, 各项指标均符合规范要求。同时, 根据已有纤维增强沥青混凝土的研究, 纤维的用量一般在0.2%~0.4%。因此, 本研究以AC-13、SMA-13级配为基础添加不同掺量组合的纤维, 设计了7种沥青混合料见表2。

表2中, GBFR为浙江金石公司生产的玄武岩纤维;SMG与SGM的区别在于SMG是直接将0.1%木质素和0.2%GBFR混合后, 加入集料拌合, SGM是先将0.2%GBFR加入集料拌合均匀后, 再加入0.1%木质素纤维拌合。

1.2 各种沥青混合料的最佳油石比

根据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》 (JTG E20—2011) , 每种沥青混合料采用估计沥青用量为中值, 以0.5%间隔变化沥青用量, 成型5种不同油石比的马歇尔试件, 分别在规定的试验温度及试验时间内测定其稳定度和流值, 同时测定其体积参数, 计算空隙率、饱和度及矿料间隙率, 最后确定各种沥青混合料的最佳油石比。7种混合料的最佳油石比见表3。

2 纤维增强沥青混凝土性能比较

2.1 高温性能试验

作为一种粘弹性材料, 沥青路面在高温天气条件以及车辆荷载的重复作用下, 沥青混合料容易产生车辙、推移、拥包等永久性变形类路面病害[8,9]。在室内评价沥青混合料的高温稳定性或累积变形发展规律, 可采用单轴压缩、三轴压缩、弯曲蠕变、直剪试验以及车辙试验等进行研究。本文通过车辙试验和60℃动态蠕变试验, 对7种沥青混合料的高温稳定性进行评价。

2.1.1 车辙试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E20—2011) 的试验方法进行车辙试验, 试验结果见图1:

由图1可以看出:SMA-13沥青混合料的动稳定度均大于AC-13C的动稳定度, 这说明以集料的嵌挤作用为主的SMA混合料, 更能适应高温路面环境。掺加纤维后, 各类混合料的动稳定度均有所增大, 且AC-13C中GBFR>聚酯纤维, SMA-13中GBFR>GBFR与木质素混合>木质素, 说明玄武岩纤维在提高沥青混合料高温性能方面效果更显著。

2.1.2 动态蠕变试验

蠕变试验可分为静态蠕变与动态蠕变试验, 重复荷载试验与动力试验都属于动载蠕变试验。有研究报告[10]指出, 重复荷载蠕变试验比单轴静态压缩蠕变更能反映沥青混合料的特性。本研究采用AMPT沥青混合料性能试验机进行动态蠕变试验中的重复荷载试验[11,12]来评价混合料的高温性能, 试验结果见图2。

由图2可知, 各种混合料在初始阶段 (迁移期) 的累积应变变化趋势基本一致, 第二阶段 (稳定期) 的应变增长率排序为:不加纤维>聚酯纤维>GBFR, 木质素>GBFR与木质素混合>GBFR, GBFR混合料的稳定期终点荷载累积作用数大幅超过其他类型, 变形速度较缓慢。动态蠕变试验的结果进一步说明玄武岩纤维能明显地增强沥青混凝土高温性能。

2.2 低温性能试验

对各类型沥青混合料进行-10℃低温小梁弯曲试验, 采用破坏应变以及断裂能指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能。测量各种混合料的抗拉强度和跨中变形情况, 通过应变能密度函数, 计算沥青混合料破坏前所储存能量, 其中分别为应力、应变分量。当沥青混合料断裂时, 应力-应变关系曲线下的面积即为混合料破坏前所存储的能量, 见图3。

测试结果见图4。由图4可知, 各种混合料的低温弯曲破坏应变均大于2 800με, 满足规范要求。加入纤维可以增强混合料低温抗裂性能, GBFR增强效果最为显著, 表现为小梁弯拉应变和应变能密度明显增大。在SMA路面结构中掺入GBFR, 可以提高储存破裂能量, 增强低温抗裂性能, 增强效果明显优于木质素、木质素与GBFR混合纤维。

2.3 水稳性能试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料耐水损害能力, 试验结果见表4:

由表4可以看出:GBFR对于密级配沥青混合料水稳定性的改善幅度比聚酯纤维大, 前者的残留稳定度以及劈裂强度比均大于后者。GBFR作为SMA沥青混合料的纤维稳定剂, 其改善混合料的水稳定性效果与木质素纤维稳定剂效果相当。

2.4 力学性能试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》, 在UTM下进行三分点小梁劈裂试验, 加载试验温度为15℃, 加载速率为50 mm/min。研究过程中除采用常规的抗弯拉强度、最大弯拉应变以及弯曲劲度模量来分析常温弯曲试验结果以外, 还用临界弯曲应变能密度评价混合料在破坏之前储存能量的大小, 并采用粘韧性指数来评价混合料的粘韧性, 试验结果见表5。

由表5可以看出:掺入GBFR的密级配沥青混合料以及SMA沥青混合料, 其抗拉强度和破坏拉伸应变均有较大提升, 力学性能优于掺加木质素与聚酯纤维的混合料。同时, 在掺加GBFR后, 混合料粘韧性指数较大, 表明其应力达到最大值后, 还能在较大的应变范围内保持较大值, 因而具有较好的粘韧性。

3 结论

本文研究表明, 玄武岩纤维增强沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性尤为显著。与聚酯纤维和木质素纤维相比, 其车辙试验的动稳定度大且60℃动态蠕变试验的稳定期终点荷载作用次数大, 变形速率缓慢, 累积变形小。低温弯曲试验玄武岩纤维混凝土小梁出现裂缝时间晚, 裂缝发展慢, 弯拉应变、应变能密度大。在沥青混合料中加入玄武岩纤维, 浸水和冻融循环后的强度有所提升, 残留稳定度和残留强度比均有所提高, 表现出较好的水稳定性。在力学性能试验中, 既可以提高抗拉强度又可以增大弯拉应变, 粘韧性指数较大, 表现出较好的力学性能。

参考文献

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纤维增强沥青混凝土 篇2

【摘要】本文介绍了沥青纤维增强型废胎胶粉减噪微表处结构的特点，并在此基础上进一步阐述了它的施工方法、用料设计方法及其有益效果。

【关键词】沥青纤维增强型；废胎胶粉；减噪；微表处

【Abstract】This article describes the noise characteristics of waste tire rubber powder micro-surfacing asphalt fiber-reinforced structure， and further elaborated on the basis of its construction methods， materials and design methods benefit.

【Key words】Fiber-reinforced asphalt；Waste tire rubber powder；Noise；Micro-Surfacing

1. 前言

微表處是由不同粒径的石料按比例范围混配成集料，集料再和改性乳化沥青、水和添加剂（如果需要）配合搅拌成改性乳化沥青稀浆混合料，并迅速摊铺在原路面上，经养护成型的路面结构层。由于微表处具有经济、高效、抗滑性能强、常温施工等优点，MS-3型微表处已经被大量的应用于道路施工和养护。但是，微表处存在如下缺点：一是微表处与原路面附着力差，导致微表处脱落；二是微表处抗反射裂缝能力差，导致原路面裂缝向上反射，微表处层会产生对应的裂缝；三是微表处行车噪音大，一方面影响行车的舒适性，另一方面污染周围环境。这些都是需要解决的问题。

2. 沥青纤维增强型减噪微表处结构

沥青纤维增强型废胎胶粉微表处结构如图1所示。沥青纤维增强型废胎胶粉微表处，包括沥青层+纤维层+沥青层+掺加废胎胶粉的微表处。

3. 沥青纤维增强型废胎胶粉微表处施工方法及用料控制范围

（1）沥青纤维增强型废胎胶粉微表处的施工方法是首先在原路面上洒一层沥青（第一层沥青），然后在第一层沥青上撒一层纤维，再在纤维上撒一层沥青（第二层沥青），最后做掺加废胎胶粉的微表处（称为废胎胶粉微表处或者减噪微表处）。

（2）沥青包括各种热（改性）沥青、（改性）乳化沥青和稀释沥青。工程实践中常用改性乳化沥青，其每层用量为：0.8Kg/m2～1.6Kg/m2。

（3）纤维包括玻璃纤维、聚丙烯睛纶纤维、聚酷纤维、木质素纤维、矿物纤维以及钢纤维等。工程实践中常用5cm～10cm长的玻璃纤维，其用量为：80g/m2～160g/m2。

（4）废胎胶粉微表处是用掺加废胎胶粉的改性乳化沥青稀浆混合料做成的。工程实践中常用MS-3型，其用量为：10Kg/m2～22Kg/m2，包括石质集料、废胎胶粉、改性乳化沥青、水和添加剂（如果需要），其中：

（5）集料的级配符合现行规范要求即可。

（6）粉集比为1.5%～3%，粉集比是废胎胶粉与集料总质量的比值，采用内掺法，废胎胶粉作为集料的一部分使用；

（7）油石比为7%～10%，油石比是改性乳化沥青蒸发残留物与集料总质量的比值；

（8）水集比为4%～10%，水集比是总用水量与集料总质量的比值，总用水量是指改性乳化沥青中所含水量与外加水量的和。

4. 沥青纤维增强型废胎胶粉微表处用料设计

4.1材料选择、用量与配合比设计。

4.1.1原材料选择。

原材料的质量符合现行公路工程相关规范的要求即可。

4.1.2沥青纤维增强层用量的确定。

第一层沥青、纤维和第二层沥青的单位面积用量是根据经验确定的。

4.1.3MS-3型改性乳化沥青废胎胶粉稀浆混合料的配合比设计，具体步骤为：

4.1.3.1改性乳化沥青废胎胶粉稀浆混合料集料配合比。

集料级配为：满足现行规范要求。

（1）选择粉集比。石质集料级配偏细时，宜选择较大的粉集比；石质集料级配偏粗时，宜选择较小的粉集比。优选地，粉集比的范围为：1.5%～3%。粉集比选定后计算废胎胶粉用量，然后用等质量的废胎胶粉代换0.6mm～1.18mm的石质集料。选用废胎胶粉的粒径为20目～30目，换算成毫米为0.6mm～0.8mm，而0.6mm～1.18mm的石质集料包含于石屑中，所以用等质量的废胎胶粉代换0.6mm～1.18mm的石质集料也就是用等质量的废胎胶粉代换石屑，代换后集料的级配比例会发生变化，但这种变化很小，不影响稀浆混合料的施工性能和路用性能，可以忽略不计。

（2）废胎胶粉用量确定后，可确定集料的配合比，即4.75mm～9.5mm碎石∶米石∶石屑∶废胎胶粉∶矿粉的比值。施工时，将按此比值配合集料。

4.1.3.2油石比。

（1）油石比的范围为：7%～10%。实施时，油石比的可选范围是根据（T0752-2011）《稀浆混合料湿轮磨耗试验》和（T0755-2011）《稀浆混合料负荷轮粘砂试验》确定的，由（T0752-2011）《稀浆混合料湿轮磨耗试验》确定最小值，由（T0755-2011）《稀浆混合料负荷轮粘砂试验》确定最大值，然后再结合经验确定一个油石比值。

（2）油石比确定后，根据改性乳化沥青中蒸发残留物的含量计算出改性乳化沥青的用量。

4.1.3.3外加用水量。

水集比的范围为：4%～10%。实施时，外加用水量是根据（T0751-1993）《乳化沥青稀浆封层混合料稠度试验》确定的。要求稀浆混合料的稠度控制在2cm～3cm之间，确定外加用水量。

4.1.3.4可拌和时间。

（1）根据（T0757-2011）《稀浆混合料拌和试验》检验稀浆混合料的可拌和时间。优选地，可拌和时间不小于120s。如果可拌和时间不能满足要求，可使用添加剂进行调整，并通过试验确定添加剂的用量。添加剂并不是必须使用的，当可拌和时间不能满足要求时才使用。

（2）由上所述，可以确定改性乳化沥青废胎胶粉稀浆混合料的配合比，即：集料（包括废胎胶粉）∶改性乳化沥青∶外加水∶添加剂（如果需要）的比值，它是调整稀浆封层机各种材料控制系统的依据。

4.1.3.5确定开放交通时间。

根据（T0754-2011）《稀浆混合料黏聚力试验》测量改性乳化沥青废胎胶粉稀浆混合料试件黏聚力达到2.0N·m的时间。施工时，此时间作为确定开放交通时间的参考。

5. 施工工艺

（1）第一步、封闭交通；

（2）第二步、检查验收原路面，其要符合相关规范要求；

（3）第三步、沥青纤维增强层采用同步施工，洒布第一层沥青、撒布纤维和洒布第二层沥青使用一台纤维封层机一次完成；

当洒布沥青采用热（改性）沥青时，待沥青温度接近常温才进行减噪微表处施工；当洒布沥青采用（改性）乳化沥青时，待水分基本蒸发完才进行减噪微表处施工；当洒布沥青采用稀释沥青时，待稀释剂基本挥发完才进行减噪微表处施工；

（4）第四步、集料干燥，集料的设计配合比就是施工配合比。按施工配合比，即4.75mm～9.5mm碎石∶米石∶石屑∶废胎胶粉∶矿粉的比例，把各种集料混合。

（5）第五步、把配合好的集料、改性乳化沥青、水和添加剂（如果需要）都装进稀浆封层机，依据改性乳化沥青废胎胶粉稀浆混合料的施工配合比，即集料（包括废胎胶粉）∶改性乳化沥青∶外加水∶添加剂（如果需要）的比例，对稀浆封层机进行标定，分别确定集料、改性乳化沥青、外加水和添加剂（如果需要）的控制参数；

（6）第六步、把稀浆封层机开到施工现场，边搅拌边摊铺；

（7）第七步、修补摊铺不平处和接缝处；

（8）第八步、进行养生，使黏聚力达到不小于2.0N·m；

（9）第九步、开放交通。

6. 沥青纤维增强型废胎胶粉微表处的有益效果

沥青纤维增强型废胎胶粉微表处的有益效果主要表现在以下几个方面：

（1）与原路面的附着力强，延缓微表处脱落，增加使用寿命；

（2）增强微表处的抗反射裂缝能力，减少和延缓微表处产生裂缝；

（3）行车噪音减小3dB～5dB。由于废胎胶粉的使用，增加了沥青膜的厚度，并且废胎胶粉具有弹性，达到减小行车噪音的效果；

（4）废胎胶粉使用量较大，环境保护效益明显；

（5）增强型减噪微表处用途广泛，可用于新建路面的磨耗层、抗滑层、防水层等，也可用于已建路面的养护罩面，还可用于修补车辙、桥面铺装等。

参考文献

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纤维增强沥青混凝土 篇3

沥青混凝土是沥青和集料的混合物, 与土木工程上应用的其他材料相比具有一定的敏感性。入侵的水分软化路基并削弱基层材料强度, 导致路面结构承载力的破坏;而交通荷载的反复作用使得路面出现疲劳开裂。从根本上说, 石油精炼厂的沥青生产属于次级过程, 无法与产生税收的燃料和其他产品相竞争。因此, 在石油加工中, 优化沥青性能的生产活动不是上策。当成品沥青难以满足气候、交通和路面结构要求时, 道路科技工作者不断尝试各种方法来改善沥青路面的使用性能。沥青的改性开始受到关注, 纤维和聚合物便是两种重要的改性剂, 其中聚合物改性沥青最为普遍。目前, 有很多种类的材料已经作为增强材料得到了应用, 纤维和聚合物就是其中重要的两种[1,2]。然而, 针对沥青改性的诸多材料之中, 纤维因其优良的改善效果受到了广泛关注。本文回顾了纤维增强技术在路面工程中的应用和研究现状, 并初步分析了纤维增强对沥青混凝土路用性能的改善作用。

1 纤维增强在路面工程上的应用

纤维的使用可以追溯到中国4000年前, 将纤维和粘土混合而成的拱门及2000年前万里长城的修建。而现代纤维增强的发展开始于20世纪60年代初期。Zube进行了最早的纤维增强沥青混合料方面的研究, 该研究评估了为阻止反射裂缝产生而置于沥青加铺层底面的各种铁丝网的性能, 认为各种铁丝网阻止了反射裂缝和纵向裂缝的产生, 同时, 应用铁丝网可以减薄沥青加铺层的厚度且能保持相同的性能。在60多年前的美国南卡罗来纳州, 粗织的棉层平摊在沥青层间改善路表层品质。棉花织物与沥青粘结一起, 成为良好的防水毡, 阻碍水分由路表裂缝渗入侵蚀路基。1976年, 美国新泽西州的一块试验场地证实了这种筑路材料经一年使用后效果优良, 继而被引入至佐治亚州、路易斯安那州和德克萨斯州。

Serfass和Samanos等人验证了石棉、岩棉、玻璃棉和木质素纤维掺入到沥青混合料中的使用效果, 分别进行了沥青混合料回弹模量、低温直接拉伸、车辙和疲劳等方面的试验。有三项研究在法国南斯的试验跑道上进行[1]。在第一项研究中, 经13t的轴载作用了110万次后, 发现与未掺纤维或掺合成橡胶的沥青混合料相比, 纤维沥青混合料均呈现出最大的空隙率, 该结论符合纤维沥青混合料具有更优的排水性能。在第二项研究中, 在使用纤维改性沥青的具有疲劳病害的加铺层上经200万次的轴载作用后, 发现路表宏观结构良好, 未出现更多的裂缝。研究人员据此认为纤维可以用于沥青加铺层上的筑路材料, 且使纤维沥青混合料沥青路面表现出优良的抗滑性能和耐疲劳性能。在第三项研究中, 将纤维沥青混合料加铺在已有疲劳破坏的路面上, 经120万次轴载作用后, 发现未出现疲劳破坏或车辙的现象, 而普通沥青混合料却与此相反。该结论与第二项研究是一致的。掺入纤维后, 沥青混合料中的沥青用量虽有所增加, 但有效提高了沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳和老化性。

断裂力学的方法曾被用于评估纤维阻裂的效果[2,3]。Jenq等人将聚酯纤维和聚丙烯纤维掺入到沥青混合料中, 测试混合料的弹性模量、断裂能和抗拉强度。结果表明, 断裂能提高了50%~100%, 但弹性模量和抗拉强度变化不大。Simpson等人在肯塔基州萨默塞特市进行了一项关于改性沥青混合料的研究。聚丙烯、聚酯纤维和聚合物被用来改性沥青胶结料, 并对改性后的沥青混合料进行了评估, 与一种未改性的沥青混合料进行对比。试验项目包括马歇尔稳定度、间接拉伸强度 (IDT) 、水损害敏感性、冻融作用敏感性、弹性模量和重复荷载变形。结果发现, 掺入聚丙烯纤维的沥青混合料具有较高的拉伸强度和抗开裂性能。进行试验的纤维改性混合料未能改善沥青混合料的水稳定性。IDT的结果表明普通沥青混合料和聚丙烯纤维沥青混合料不会出现热裂解的问题, 而含有聚酯纤维和聚合物的混合料则可能出现。常温下的弹性模量试验表明聚丙烯纤维改性混合料效果最佳, 而高温下的弹性模量试验表明所有纤维沥青混合料的模量值均较对比样有所增加。重复荷载变形试验表明仅聚丙烯改性沥青混合料的抗车辙能力有所降低。总体说来, 纤维在混合料中的分布是否均匀是混合料性能能否提高的一个关键因素。

2 纤维对柔性路面的增强作用

增强是将具有某些特性的材料与掺入到其它缺乏这些特性的材料中进行复合而获取所需的效果。纤维增强体现在两个方面:一是在沥青混凝土或水泥混凝土板中的随机乱向分布的纤维的增强;二是定向分布的人工合成纤维的增强。值得注意的是, 前者的研究较后者少, 主要包括纤维性能, 纤维直径、长度、表面纹理等方面的优化及纤维增强机理的探究。容易看出, 如果纤维过长, 将会出现所谓的“聚团”问题, 即纤维难以同沥青混合均匀;同样, 如果纤维过短, 就不会产生增强效果, 仅仅是充当昂贵的填料而已。

根本而言, 增强纤维的主要功能是给予复合材料额外的抗拉强度, 这会增加在沥青混合料疲劳和断裂过程中可被吸收的应变能。一些纤维相对于沥青混合料而言具有较高的抗拉强度, 因此能够提高沥青混合料的粘结力和抗拉强度及相关物理性能。试验研究显示纤维在减少沥青混合料中的析漏方面较聚合物有更优的表现, 将纤维掺入到沥青中不仅可以提高复合材料的强度和疲劳特性, 也可以因其与沥青有着良好的粘附性和自身优良的力学性能而在一定程度上提高沥青的韧性。

另外, 纤维可以有效阻止裂缝的产生和扩展。经过细分的纤维还可以提供较大的比表面积, 如同填料一样。纤维可以增加沥青用量, 在施工过程中能与集料裹附得更加紧密。从这一点上讲, 纤维沥青混合料的最佳沥青用量较普通沥青混合料有微量的增加, 类似于将很细的集料加入到混合料中。因此, 纤维可以起到稳定沥青的作用, 以防止析漏出现, 这也是纤维广泛用于SMA和OGFC结构中的原因。掺入纤维后, 沥青混合料的最佳沥青用量同纤维的吸油率和比表面积有关, 随纤维的掺量和种类而变。总之, 纤维改变了沥青的粘弹性, 增加了沥青混合料的动态模量和蠕变柔量, 提高了沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性, 并有效减少了沥青路面的反射裂缝。

由于缺乏对纤维增强机理的认识及优化纤维性能 (包括纤维直径、长度、表面纹理等) 的方法, 纤维在沥青混合料中的增强效果鲜有报道[1,2,3]。但纤维沥青混凝土材料 (FRAC) 的建模已有了一定程度的发展。比如不同纤维的性能已经可以利用来自复合材料科学的“滑移理论”进行预测。基于每种纤维的固有性质, 可通过下面的公式得到λ。

式中:df, Lf, Ef, εf分别指纤维的直径, 长度, 杨氏模量和断裂应变;指的是纤维与玛蹄脂间的界面剪应力。在纤维种类确定的情况下, 随着λ值增加, 值将减少。

此外, 通过“等效横截面”理论, 可以得到另一个指标。该指标通过特定的参数 (包括纤维与玛蹄脂的杨氏模量比、纤维的数量、横断面等) 能够容易地计算出来。所列参数取值越大, FRAC的力学性能越好。

3 结语

本文回顾了国内外关于纤维在柔性路面上FRAC材料应用的历史及研究现状, 并初步探讨了纤维对柔性路面的改善机理。结果表明, 将纤维掺入到沥青中可以稳定沥青, 改善沥青的粘弹性, 增加沥青混合料的动态模量和蠕变柔量, 提高其高温稳定性、低温抗裂性、抗冻融性和水稳定性, 有效阻止沥青路面的反射裂缝的产生和扩展, 并改善沥青混合料的疲劳特性和耐久性, 从而延长路面的使用寿命。此外, 根据国内外的研究现状, 采用复合材料科学原理对FRAC的力学特性进行建模分析是一个新的研究领域, 建议借助光学显微镜或扫描电子显微镜对纤维的分布进行观察, 以便从细观或微观的角度研究纤维对沥青混合料的增强效果。

参考文献

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纤维混凝土增强机理分析 篇4

关键词：纤维增强机理,混杂纤维,受拉破坏机理,混杂效应

0 引言

现有的纤维增强机理, 无论是宏观模型还是细观模型, 均主要以纤维和基体为研究对象, 研究单一纤维与基体之间的相互作用, 并没有直接分析两种或以上的纤维对于基体的增强作用。尽管分析混杂纤维混凝土的纤维增强机理时, 可直接借鉴甚至套用现有的纤维增强模型, 但混杂纤维混凝土的增强作用, 并不仅仅局限于纤维作用于材料基体的增强作用。混杂纤维混凝土, 能通过不同纤维之间的混杂, 使混杂材料之间产生性能互补, 体现出预期的良好综合性能。这种互补, 可以使不同尺度上的性能互补, 也可以是强度和延性上的互补, 或者是就某一宏观性能进行分析后发现的“混杂效应”。因此, 分析混杂纤维混凝土的增强作用, 不仅要考虑单一纤维分别对于混凝土的增强作用, 更需要综合考虑纤维不同尺度、不同受力状态下, 对基体的增强作用。

1 纤维间距理论

依照纤维间距理论, 纤维的增强机理主要在于减小或缩小裂缝源的尺度与数量, 缓和裂缝尖端应力集中程度, 抑制裂缝的发生与扩展。纤维的增强效果关键在于纤维的平均间距, 平均间距越小, 纤维对裂缝引发与扩展的约束能力越大, 纤维混凝土的强度就越高。而纤维的平均间距大小, 取决于单位基体体积内的有效纤维根数。因此, 在制备工艺和纤维种类、长径比一定的情况下, 单位基体体积内的有效纤维根数取决于纤维的体积掺量, 纤维体积掺量越大, 增强效果越强。

对于SP-HFRC, 在混凝土基体中有两种纤维:钢纤维和聚丙烯纤维。若单从总的纤维体积掺量上分析, SP-HFRC的增强效果完全可以被单一钢纤维或聚丙烯纤维所替代。然而, 已有大量的研究成果证实, SP-HFRC的增强效果强于单一纤维混凝土, 其原因是SP-HFRC在不同尺度上的逐级增强 (表1) 。

如表1所示, 研究采用的钢纤维长度和直径远大于聚丙烯纤维, 经计算, 单根钢纤维体积为聚丙烯纤维的220倍, 若掺入的钢纤维和聚丙烯纤维体积掺量相同, 单位体积基体内聚丙烯纤维的数量将为钢纤维的220倍。试验中, 钢纤维体积掺量比聚丙烯纤维体积掺量高一个数量级, 但实际制备的试件中, 单位体积基体内, 聚丙烯纤维的数量仍然是钢纤维10倍以上。然而钢纤维的弹性模量远高于聚丙烯纤维, 差距达两个数量级, 这种特点使得钢纤维和聚丙烯纤维在不同受力状态下的增强效果差异明显。因此, 混杂纤维对于SP-HFRC的增强机理, 可分为两级:

(1) 低荷载情况下

当SP-HFRC外部荷载较低时, 内部变形较为微小。此时内部原生裂纹有克服外力继续扩展的趋势, 原生微裂隙也有衍生成裂缝的趋势。依照纤维间距理论, 基体内部乱向分布的钢纤维和聚丙烯纤维, 能有效抑制裂缝的发生与扩展。由于单位基体内聚丙烯纤维的根数比钢纤维高一个数量级, 在此阶段, SP-HFRC的增强机理以聚丙烯纤维的作用为主。由此可知, 低荷载状态下, SP-HFRC的抗裂性能与总体积掺量相同的PFRC相比并无明显优势, 与总体积掺量相同的SFRC相比则有优势。

(2) 高荷载情况下

当SP-HFRC外部荷载较高时, 内部变形较大, 变形趋势也较强。在内部高应力区域, 裂缝已经生成, 基体内部乱向分布的钢纤维和聚丙烯纤维, 仍然能有效抑制裂缝的扩展。此时由于钢纤维具有较高的弹性模量, 在同等变形情况下, 其承受的拉力高于聚丙烯纤维1~2个数量级。在此阶段, SP-HFRC的增强机理以钢纤维的作用为主。由于聚丙烯纤维的高拉伸率, 同等变形情况下, 若钢纤维未被拉断, 聚丙烯纤维也必然未拉断。因此, 按纤维间距理论, SP-HFRC的增强效果必然强于总体积掺量相同的SFRC;至于相同总体积掺量的PFRC材料, 可能在还没到达同等大小的荷载之前已经发生断裂。因为聚丙烯纤维虽能有效延迟和阻止初始裂缝的产生和扩展, 而一旦荷载稍有增加, 仅靠弹模较低的聚丙烯纤维无法有效限裂, 必然导致裂缝迅速失稳扩展而导致大量宏观裂缝的产生, 最终导致断裂。

由此可知, 依据纤维间距理论, SP-HFRC中的混杂纤维在低荷载和高荷载情况下, 两种纤维能合理搭配、扬长避短, 从而产生较好的综合增强效果。事实上, 当SP-HFRC受到外部荷载时, 由于内部应力分布的复杂性, 材料中必然产生应力高和应力较低的局部区域, SP-HFRC中混杂纤维的协同作用能做到低应力时共同阻裂, 高应力时共同限裂, 从而有效控制裂缝扩展, 延迟和控制局部大量裂缝的失稳发展, 最终在宏观上达到提高复合材料整体强度及变形的效果。

2 复合材料力学理论

根据复合材料力学理论, SP-HFRC的弹性模量计算公式为:

式中:Esf、Esf—所掺钢纤维、聚丙烯纤维弹性模量;Em—混凝土基体弹性模量;ρsf、ρpf—钢纤维、聚丙烯纤维在混凝土复合材料中的体积掺量;ηsf、ηpf—钢纤维、聚丙烯纤维有效系数。与纤维的分散程度、与基体的粘结效果有关。

假定钢纤维和聚丙烯纤维在基体中均匀分散, 与基体的粘结情况良好。取ηsf, ηpf的值为1, 则依式 (1) 计算出的Efc>Em, 可直观地解释纤维的增强效果。然而本次试验实测轴心受拉应力-应变曲线中, SP-HFRC的曲线上升段与素混凝土相比, 并无明显差异, 即实测数据无法证实Efc>Em, 因此该公式不能有效地解释混杂纤维对SP-HFRC的增强作用。由于复合材料力学增强理论是建立在材料本构的线弹性阶段, 而掺有高体积掺量纤维和定向长纤维的纤维混凝土在破坏时, 会表现出比普通混凝土更强的塑性。因此, 采用复合材料力学理论来分析纤维混凝土的极限强度与极限状态, 采用线弹性方法研究掺有高体积掺量纤维和定向长纤维的纤维混凝土的机理, 显然不太合理。

大量研究成果显示, SP-HFRC的抗拉强度、抗压强度、韧性明显高于混凝土基体, 可见混杂纤维对于混凝土具有优良的综合增强效果。结合复合材料力学理论, 从构成纤维混凝土基本材料特征的角度出发, 就能得出SP-HFRC的增强机理。

处于受拉状态下的混凝土材料, 其内部应力分布的复杂性将导致局部应力集中, 当局部应力达到极限抗拉强度, 就会发生断裂。如果在混凝土中适当配置抗拉钢筋, 就能有效承担一定的受拉应力, 从而推迟或避免混凝土裂缝的出现, 达到提高混凝土极限抗拉强度的目的。如果将混杂纤维看作微型“次增强筋”, 这些“次增强筋”会有效改善混凝土的力学性能。对于SP-HFRC而言, 钢纤维与聚丙烯纤维的几何尺寸相差较大, 能在基体中形成两级“次增强筋”, 从分工上来说, “聚丙烯纤维增强筋”有较好的约束作用, 而“钢纤维增强筋”则有较好的抗拉作用, 两级“次增强筋”优势互补、取长补短, 可以在两种几何尺度下对混凝土产生增强、增韧的效果, 其增强效果优于单一纤维。

3 混杂效应

根据复合材料力学原理, 关于复合材料的力学性能有:

式中:σ—复合材料实时所受的力;ε—材料应变;v—该复合材料的弹性模量;Ei、vi—分别为材料组分的弹性模量和在材料中所占的体积掺量。

然而有些材料复合后, 发生了偏离混合律的现象, 例如两种或两种以上的纤维掺入混凝土形成的HFRC。已有研究成果表明, 在掺加两种或两种以上纤维后, 混凝土的抗压、抗拉、抗冲击强度和韧性都有提高, 但是提高的程度却不符合规律。大量试验研究表明, 在HFRC中存在或正向负向的“混杂效应”, 正向为增强某种性能, 负向则为减弱相应性能。

混杂效应产生的原因很多, 如复合材料制作过程中因合成工艺引起的构造优化、复合材料破坏过程中断裂能的梯度平衡、材料强度的统计性质等。用以解释混杂效应原因的理论大致可分为三个方面:统计分布理论、纤维束理论和断裂能理论。

(1) 统计分布理论。假定复合材料中的纤维工作状态完全相同, 当初始应力场达到临界后, 纤维会因材料的裂纹扩展而失效, 复合材料内部失效的几率与材料体积成正比, 因此复合材料的平均强度与表观尺寸的大小成反比。首次将统计分布理论用以解释混杂效应的是Zweben, 根据他的理论, 纤维的弹性模量与长度无关, 纤维的强度也具有统计分布性质, 因此纤维的断裂应变将随着长度的增加而降低。对于单一含低延性纤维的复合材料, 纤维过早破坏将导致复合材料整体的破坏。对于混杂复合材料, 高延性的纤维会抑制低延性纤维造成的裂纹扩展, 使得低延性纤维的断裂破坏呈现多次多梯度的特点。复合材料只有当高延性纤维破坏后才会发生整体破坏。在此基础上, Aveston等提出了多次断裂理论, 即由于高延性纤维抑制裂缝扩展, 将会导致单元内部的应力重分布, 可能使低延性纤维发生多次断裂, 从而提高整体复合材料的断裂应变。

(2) 纤维束理论。纤维束理论主要根据断裂力学研究裂纹复合材料中的扩展规律, 该理论认为低延性 (LE) 纤维的断裂受到高延性 (HE) 纤维的抑制。例如含碳纤维 (CF) 和玻璃纤维 (GF) 的HFRP, CF的断裂受到GF的抑制, 使得CF的有效部分 (未断裂部分) 继续工作并承担荷载, 因此使得CF表现出来的断裂应变大于单一CF。Manders等研究认为复合材料中的纤维发生了二次断裂破坏, 是HFRP的强度不符合复合材料混合律的原因。

(3) 断裂能理论。主要从材料混杂结构和破坏模式来分析复合材料的断裂耗能过程。混杂复合材料中, 纤维的脱粘是因裂纹沿平行于纤维的方向传播引起, 而纤维拔出的原因是裂纹垂直于纤维方向的传播造成的, 纤维拔出的前提是基体较大变形。Wagner等通过研究碳—玻混杂纤维复合材料, 提出拔出功的混合律计算公式, 根据公式计算出了拔出功的上下限, 界定了混杂效应出现的条件和原因。

4 结语

纤维增强沥青混凝土 篇5

纤维增强混凝土也称纤维混凝土,是在混凝土基体中均匀分散一定比例的特定纤维,使混凝土的韧性得到改善,抗弯性和抗压比得到提高的一种特种混凝土。

纤维增强混凝土分类一般按纤维种类分类,命名也是按纤维种类命名为“某纤维增强混凝土”或“某纤维混凝土”。目前应用比较广泛的有以下几种[1]:

1)钢纤维增强混凝土,简称SFRC;2)玻璃纤维增强混凝土,简称GFRC;3)碳纤维增强混凝土,简称CFRC;4)陶纤维增强混凝土,简称CEFRC;5)聚丙烯纤维增强水泥基材料,简称PPFRC;6)普伦纤维增强水泥基材料,简称KFRC;7)尼龙纤维增强水泥基材料,简称NFRC;8)聚乙烯纤维增强水泥基材料,简称PFRC;9)丙烯酸纤维增强水泥基材料,简称AFRC;10)木纤维增强水泥基材料,简称WFRC;11)竹纤维增强水泥基材料,简称BFRC。

上述各种纤维增强混凝土中,钢纤维增强混凝土(SFRC)和玻璃纤维增强混凝土(GFRC)也称普通纤维增强水泥基材料;碳纤维增强混凝土(CFRC)、芳纶纤维增强混凝土(KFC)等其他一些高强有机纤维增强混凝土又称为高性能纤维增强水泥基材料。如果在纤维增强技术的基础上,利用其他一些特殊技术措施(如加压养护、掺加聚合物等),使水泥基材料达到十分致密甚至基本上无有害孔的程度,通常把这类材料称为纤维增强高致密水泥基体系(FRDSP)及纤维增强宏观无缺陷水泥(FRMDF)。这两类材料的性能已接近水泥基材料的理论强度。但由于各种原因,尚未能在工程中得到实质性的广泛应用。

目前,纤维增强混凝土在应用中仍存在两方面的问题:1)生产过程中纤维不易在混凝土中均匀分散而易缠绕成团。不仅影响了混凝土的性能,而且还影响了新拌混凝土的和易性;2)具有较好增强效果的一些纤维价格较贵,增加了混凝土的成本。这些都是限制纤维增强混凝土进一步推广应用的重要因素。但随着研究的深入和相关技术的发展,纤维增强混凝土的优势将得到进一步发挥,应用也将会更广泛。下面仅就碳纤维加固技术做一些介绍。

2 碳纤维增强材料(CFRP)性能

碳纤维增强材料是纤维材料中的一种。普通碳纤维原丝为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维。聚丙烯腈是当前最佳材料,由它制成的高模、高强度碳纤维,高温时抗拉强度可达2 500 MPa～3 500 MPa,弹性模量高达(2～5)×105 MPa。通常根据不同的工程需要将碳纤维原丝制成片状、棒材和型材等,其中用于结构加固修复的材料形式多为片状,其次是棒材。

与传统的加固技术相比较,碳纤维增强材料具有明显的优点:适用面广,可广泛适用于各种曲面和不规则形状结构类型及形状的加固修复,而不改变结构形状及不影响结构外观;CFRP材料是柔软的,施工质量易保证;耐腐蚀性和耐久性良好;施工便捷,工效高,没有湿作业,不必使用大型施工机械等。

3 碳纤维材料加固技术

1)抗弯加固:

应用碳纤维布进行抗弯加固主要是利用碳纤维承载能力高的特性,将碳纤维布粘贴在构件的受拉面,使之与混凝土共同承受荷载,以提高构件的受弯承载力,从而达到加固补强的作用。从现有的相关文献上看,影响碳纤维布加固效果的主要因素有:碳纤维布的用量,加固区段的范围,混凝土强度,配筋率,碳纤维布端部锚固情况以及加固前构件的受荷载情况等。

2)抗剪加固:

抗剪加固主要是将碳纤维片材(一般采用的是碳纤维布)粘贴于构件的剪跨区,起到与箍筋类似的作用,以提高构件的抗剪承载力。加固的原理是利用碳纤维布对混凝土的约束来抑制剪切裂缝的开裂和发展。赵彤等通过改变实验梁的配筋率,剪跨比,碳纤维布的层数,布带的宽度及布带的间距等参数,对12片加固与未加固梁进行了系统的抗剪承载力实验研究。实验结果表明,梁的配筋率越低,受剪承载力提高程度就越大;同时,在其他实验参数均相同的情况下,剪跨比越大的加固梁,其加固效果越明显,破坏形态也从脆性的斜拉破坏转变为变形性能稍好的剪压破坏;碳纤维布层数越多,布带宽度越大或间距越小,则加固梁的抗剪承载力提高得越多,而且在碳纤维布用量相同的情况下,布条间距小的方案要优于布条层数多的方案。实验还指出用碳纤维布加固梁时,碳纤维条之间的距离不宜过大,否则不但起不到良好的加固效果,反而会降低原构件的抗剪能力[2,3]。

3)抗压加固:

对受压的混凝土构件进行CFRP加固,可分为两种方式:整体环向包裹和分条环向包裹。受力机制是利用碳纤维环向高抗拉强度来限制受压构件径向变形,从而提高构件的受压承载力。赵海东等通过碳纤维布缠绕钢筋混凝土圆柱的轴心受压试验研究发现,加固后的极限承载力与延性有明显的增加。增加幅度与碳纤维布的规格和层数有关,而且最终的破坏形态一般为纤维布在柱的棱角被剪坏,具有一定的突然性,但破坏前有声音预兆,使破坏具有可预测性,并提出了用碳纤维布加固钢筋混凝土柱的轴心受压承载力的计算方法[4]。

4)抗疲劳破坏:

Incue等[5]研究了碳纤维板加固混凝土梁的疲劳强度和变形特征,试验结果表明:与未加固梁相比,加固梁的挠度和裂缝宽度减小,混凝土梁的静载极限强度和疲劳强度都得到了提高,CFRP板加固法与粘钢加固法一样能有效地提高混凝土梁的疲劳性能。

4 国内碳纤维材料加固技术存在的问题

1)碳纤维是一种脆性材料,所以在弯角和构件曲率较大的情况下,用碳纤维片材进行构件加固与补强时不能充分发挥其高强高模的性能,这一方面的技术有待进一步的研究。

2)构件加固后极限状态下的破坏形式多数是粘结破坏,其破坏机理比较复杂,目前这方面的研究还不是很充分,因此,关于碳纤维加固混凝土的结构界面力学性能及长期受力性能是一个值得深入研究的课题。

3)技术的标准化工作。尽管我国碳纤维加固技术的研究已经取得大量的研究成果,但相应的标准与规程却相当贫乏,这样就大大地限制了该技术在国内的发展。所以我国必须尽快拟订该项技术的标准与规程,使得材料的生产、使用、检验、加固设计、工程施工与验收等一系列工作有章可循。

4)碳纤维加固材料的国产化。目前,粘贴树脂已经实现了国产化,但该项加固技术所需的主要材料——碳纤维仍然依赖进口,造成加固成本偏高。因此,实现材料的国产化以降低工程造价是件十分紧迫的事情[6]。

5 结语

由于纤维混凝土的种种优点,近些年来的应用规模逐渐扩大。在美国、英国、日本、西欧和中国等地,对于某些应用领域已做出过相当规模的现场实验,其中包括桥面和路面的罩面层、采矿和隧道工程的各种应用、边坡的固定、防火设施、混凝土修补、工业地面以及各种预制混凝土产品等,以上应用均获得了一定的成功。混凝土材料正面临着其他建筑材料的挑战,面临着可持续发展问题的挑战,因而总结和交流发展的经验教训,展望未来确实是十分必要的[7]。

摘要：介绍了纤维增强水泥基材料的概况,碳纤维增强材料的性能与特点,在工程中的加固方法及应用,总结了国内外碳纤维材料加固技术的研究现状,分析了碳纤维加固技术存在的一些问题,并对纤维增强材料的发展前景进行了展望。

关键词：纤维增强混凝土,碳纤维增强材料,加固技术

参考文献

[1]朱宏军,程海丽,姜德民.特种混凝土和新型混凝土[M].北京:化工工业出版社,2004.

[2]赵彤,谢剑,戴自强.碳纤维布加固技术钢筋混凝土梁的受弯承载力试验研究[J].建筑结构,2000(3):23-24.

[3]赵彤,谢剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M].天津:天津大学出版社,2001.

[4]赵海东,赵鸣,张誉.碳纤维布加固钢筋混凝土圆柱的轴心受压研究[J].建筑结构,2000(5):77-78.

[5]Incue,Shoichi.Nishibayashi Fatigue Strength and DeformationCharacteristics of Reinforced Concrete Beams Strengthenedwith Carbon Fiber reinforced Plastic Plate[J].Journal of theSociety of Materials of Sciences,1994(1):8-9.

[6]张荣国,刘沐宇,刘其卓.碳纤维加固技术的研究现状[J].武汉理工大学学报,2004,26(7):132-133.

混杂纤维混凝土增强机理研究综述 篇6

关键词：纤维混凝土,钢纤维,混杂纤维,增强机理

混凝土由于成型、施工方便、耐久性能好等优点而被广泛应用于土木工程领域,成为当今建筑行业使用最为广泛、应用量最大的材料。但是混凝土材料也存在抗拉强度低、延性差、易开裂等缺陷。在混凝土中掺入高弹模的钢纤维,能显著提高混凝土的强度与韧性。但有关研究资料表明[1],钢纤维对混凝土的抗压强度并无明显的促进作用,甚至还有所降低;与素混凝土相比,对于钢纤维的抗渗性、耐磨性、耐冲磨性和阻裂性等还存在正反(提高与降低)两方面的观点。此外,钢纤维混凝土的钢纤维用量较大,价格较高,有生锈问题,对火灾引起的爆裂几乎无效等,这些问题都在不同程度上影响了其应用与推广。

在混凝土中掺入低弹模高延性的有机纤维后,混凝土的强度有所降低,但低弹性模量的纤维能改善和提高混凝土的韧性。将2种或2种以上纤维掺入到混凝土中,既能发挥不同纤维的优点,又能体现它们的协同效应,达到同时改善混凝土力学性能的效果,这就是混杂纤维增强混凝土。

1 钢纤维混凝土与合成纤维混凝土

纤维增强混凝土(FRC,Fiber Reinforced Concrete)是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体,以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材所组成的水泥基复合材料的总称,简称“纤维混凝土”。大量研究表明,在混凝土基材中掺加各类纤维,将抑制混凝土早期塑性收缩裂缝的产生,并限制外力作用下裂缝的扩展,对混凝土随强度增长而出现的抗拉、抗弯、抗冲击和韧性变差的现象也起到极大的改善作用。同时,对混凝土的抗渗、防水和抗冻等耐久性也有一定影响,但相关研究结果仍未统一。

纤维增强水泥基复合材料的发展,始于20世纪70年代,不但钢纤维混凝土的研究发展很快,而且聚丙烯、尼龙等合成纤维混凝土的研制也引起了各个国家学者的关注。美国所用混凝土总量中,合成纤维混凝土约占7%,数量已远超过先前研制的钢纤维混凝土(占3%)。我国合成纤维混凝土的研究起步较晚,但已初见成效。

土木工程中应用最广的纤维混凝土包括四种:钢纤维混凝土(SFRC)、玻璃纤维混凝土(GFRC)、碳纤维混凝土(CFRC)以及合成纤维混凝土(SNFRC)。前3种都属于高弹模纤维混凝土,其中碳纤维的增强增韧效果最好,但它的价格也最高。合成纤维一般都是低弹模纤维,它对混凝土只能起阻裂增韧、抗磨抗渗的作用,增强效果不明显,但它价格低廉,施工方便,因此在各种面板工程中获得了日益广泛的应用。

合成纤维混凝土(SNFRC),即低弹性模量合成纤维的优势在于:1)耐腐蚀;2)掺入混凝土对防火极为有利;3)能有效控制水泥砂浆及混凝土非结构裂缝,提高结构物抗裂性、减少混凝土早期塑性裂缝;4)增进混凝土的延性、耐磨性、抗冲击性、抗渗性(但对聚丙烯纤维混凝土的抗渗性,有资料显示其相对普通混凝土并无明显改善,而有的则相反);5)用量极少,价格低。所以在对强度要求不高而对耐久性要求高的工程中,低弹模合成纤维混凝土的应用表现出了其优越性,因而也倍受关注。

但是低弹模合成纤维混凝土由于弹性模量低,变形大,乱向而松散地掺入混凝土中,对提高混凝土的抗压、抗拉、抗弯、抗折强度等不十分显著,这些缺点限制了其应用领域。

2 混杂纤维增强混凝土

2.1 混杂纤维混凝土概述

近30年来,纤维混凝土无论是从理论上还是工程应用上都有了长足的进展,通常采用不同材质纤维中的一种进行增强或增韧,纤维尺寸往往是单一的,掺入单一纤维固然可以改善混凝土的性能,但仅在一定程度上体现所掺加纤维的某些性能。

通过合理的材料设计,使钢纤维、碳纤维及芳纶纤维等高弹纤维与其它低弹纤维,如聚丙烯、尼龙、维尼纶等纤维混合,相互取长补短,在不同层次和受荷阶段发挥"正混杂效应"来增强混凝土,从纤维增强机理及改善性能和经济上考虑都是较适宜和可行的。

混杂纤维增强混凝土弥补了单一纤维混凝土的一些不足,若以合理的体积比例混杂,则在混凝土中不同结构层次和不同性能层次上,使得纤维尺寸效应和性能效应充分发挥、相互激励和补充,产生超叠加效应。

2.2 混杂纤维混凝土的研究现状

Walton等人在1975年进行的关于有机纤维和无机纤维共同工作提高基体的抗拉性能和抗冲击性能的研究[2]。

上世纪90年代,Glavind和Aarre等人研究表明钢-聚丙烯混杂纤维可以提高混凝土的极限压应变[3]。

进入21世纪,混杂纤维的研究越来越受到重视。Qian C和Stroeven P等人,Banthia等人通过试验,分析和解释了钢纤维与聚丙烯纤维混杂时的增强效应。尤其是Banthia等提出的"3种纤维的3种混杂作用"解释,具有重要意义[4]。

Banthia N等人在2005年发表了混杂纤维混凝土的抗压试验、四点弯曲试验、密度试验的结果[5]。研究结果表明,不同弹模的碳纤维混杂有正混杂效应。该文提出一个混杂效应定义公式

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synergy为正时,表明混杂纤维发挥正混杂效应,即“1+1>2”;synergy为负时,表明混杂纤维发挥负混杂效应,即“1+1<2”。

王成启等人,经过试验研究,于2005年定义了一个混杂纤维增强效应系数[6]。并且从纤维阻裂的角度,分析了多种纤维混杂时,对混凝土性能的影响。并建立了不同几何尺寸纤维抑制混凝土裂缝扩展的模型。

同时,姚志雄等人认为,钢纤维和聚丙烯纤维在混凝土断裂的不同阶段发挥不同的互补作用,提出了“纤维连锁”的概念[7]。

华渊等人在2005年定义了“混杂系数”,以评价纤维的混杂效应[8]:A、B 2种纤维抗压强度混杂效应为

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A,B 2种纤维抗弯强度混杂效应为

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式中,强度增强系数β为纤维掺入导致纤维增强混凝土相对于基准混凝土强度的增长,β=f/fm;采用a作为混杂系数,a>1时为正混杂效应,a<1时为负混杂效应。

根据这一混杂系数分析了试验结果:碳-聚丙烯纤维混杂或玻璃-聚乙烯纤维混杂时,混杂效应与纤维掺量有关,且随纤维种类、纤维掺量、及纤维组合类型的不同而变化很大。华渊等人认为负混杂效应主要是由于当纤维掺量达到一定水平后,纤维间将发生重叠而相互干扰,使纤维与基体间的接触表面积减小,从而影响了纤维与基体的粘结,减弱了纤维对基体的增强作用,出现负混杂效应。

鞠丽艳等人则研究了钢-聚丙烯混杂纤维对于混凝土高温性能的影响[9],结果表明混杂纤维混凝土抗折强度、抗劈拉强度、抗爆裂性能明显高于基准素混凝土,抗压强度无明显增强。

3 混杂纤维混凝土的增强机理

目前混杂纤维混凝土的机理,主要存在2种解释模型:

1) 复合材料力学理论

该理论出发点是复合材料力学中的混合律法则,即认为复合材料的强度和弹性模量等性能符合复合体内各组分性能的弹性叠加。

该理论论述了纤维混凝土的强度同纤维与基体的粘结力、纤维的长径比的关系,同时考虑了纤维在基体中的连续性、分散均匀性和分布方向对增强效果的影响。认为复合材料的强度和弹性模量等性能符合复合体内各组分性能的弹性叠加。

复合材料力学认为,混杂复合材料可出现混杂效应或者杂交效应(Hybrid effect ),若出现了单一复合材料所没有的优异性能,则此效应称为正混杂效应;若出现了单一复合材料所没有的明显缺点,则此效应称为负混杂效应[10]。

2)纤维间距理论

该理论是建立在弹性断裂力学[11]的基础上,认为在混凝土结构形成和受力破坏的过程中,纤维的加入有效地提高了基体阻止裂缝发生和扩展的能力,达到纤维对混凝土的增强目的。

对于纤维间距理论较为浅显的解释是:当纤维均匀分布在混凝土基体之中时,可以起到阻止基体内微裂缝发展的作用。假定混凝土基体内部存在有发生微裂缝的倾向,当任何一条微裂缝发生、并且可能向任意方向发展时,在最远不超过纤维在混凝土基体内纤维平均中心距S的路程之内,该裂缝将遇到横亘在它前方的一根纤维。由于这根纤维的存在,使裂缝发展受阻,只能在混凝土基体内形成类似于无害孔洞的封闭空腔或者内径非常细小的孔洞。从这个个层次上,纤维间距理论与复合材料理论实现了沟通。

理论和试验研究证明,当纤维的平均间距小于7.6 mm时,混凝土的抗拉和抗弯强度均得到提高。

混杂纤维增强混凝土同样可以用上述两种理论来解释其增强机理,而且更进一步要考虑的是多种不同性质的纤维同时掺入混凝土中,会产生混杂效应、协同效应和超叠加效应。因为多相、多组分的混凝土本身具有多尺度多性能的结构特征,采用不同性能和不同尺度的纤维混杂,能使其在混凝土不同的结构层次和性能层次上充分发挥各种纤维的尺度效应和性能效应,达到逐级阻裂和强化的功能,使混凝土高性能化。

4 混杂纤维混凝土的试验研究

混杂纤维混凝土的试验研究,可参照国家标准测定力学性能,或者参照钢纤维或合成纤维试验规程开展试验。(见CECS13—89钢纤维混凝土试验方法,纤维混凝土结构技术规程_CECS38—2004)。

主要可分为2大类:

1)力学性能的研究

通过对混杂纤维增强混凝土的抗拉、抗压、抗弯、抗折和抗冲击性能的试验研究,以期寻求一种合理的纤维混杂比例,在混凝土中不同结构层次和不同性能层次上,对纤维尺寸效应和性能效应的充分发挥,产生叠加效应。

如文献[12]选用钢纤维、高弹维纶纤维、低弹模聚丙烯纤维,按二元或三元混杂,研究了不同混杂比例对混凝土的增强作用。试验发现:掺有钢纤维(体积率为1.0%)、高弹维纶纤维(体积率为 0.25%)、聚丙烯纤维(体积率为 0.25%)的混凝土,其抗弯强度比掺同种钢纤维和同体积率的混凝土的抗弯强度提高了17.9%。文献[13]研究了碳纤维、聚丙烯纤维与钢纤维以及耐碱玻璃纤维与聚乙烯纤维等混杂纤维增强混凝土的抗压、抗弯、抗拉强度随各纤维体积率的变化的规律,发现存在正、负2种混杂效果,而且得到了3种混杂纤维的正负混杂效应所对应的纤维体积率的临界值,同时分析了这两种混杂效应产生的原因。文献[14]通过试验研究表明钢纤维和聚丙烯纤维在较低掺量(总体积率为 0.9%)下,混凝土的抗压、抗拉强度、断裂强度和抗弯韧性得到了显著的提高。而掺量为聚丙烯纤维(体积率0.3%)—钢纤维(体积率0.6%)的混杂纤维增强混凝土的抗冲击性能具有超叠加优势。

2)耐久性的研究

对混杂纤维增强混凝土耐久性的研究主要是关于疲劳变形性能、抗裂防渗和抗冻性能等方面。目前也有不少研究人员进行了混杂纤维增强混凝土的高温条件下的力学性能。低温条件下混杂纤维增强混凝土抗冻融效果研究,但是研究结论尚未达成一致。

文献[15]通过立方体混凝土试块进行高温后力学性能试验表明:800 ℃后混杂纤维混凝土残余抗压强度剩余54%,抗拉强度剩余32%,钢纤维能有效提高高性能混凝土的残余强度,聚丙烯纤维对高性能混凝土残余力学性能的影响很小。

文献[16]通过研究聚丙烯纤维和钢纤维混杂的不同组合掺量与各种强度性能的关系,表明800 ℃时,混杂纤维混凝土的抗折强度剩余率约14.8%,明显高于基准混凝土的抗折强度剩余率约5.8%;抗压强度剩余率与基准混凝土的强度剩余率基本相同。混杂纤维明显提高了混凝土的抗爆裂性能。

文献[17]研究了高性能纤维素纤维、钢纤维、纤维素纤维及钢纤维混杂纤维混凝土的弯曲疲劳特性,探讨了不同龄期纤维素纤维增强粉煤灰混凝土的疲劳性能。试验表明:混杂纤维将会充分发挥各种纤维的优势,对改善疲劳性能的作用比单掺钢纤维和纤维素纤维都显著。

文献[18]通过普通混凝土、层布式钢纤维混凝土以及层布式混杂纤维混凝土在冻融循环下的相对动弹性模量、强度及质量变化的对比试验,研究了层布式钢纤维与聚丙烯纤维混杂应用对混凝土耐久性能的影响。结果表明层布式混杂纤维的掺入,显著提高了混凝土的抗冻融耐久性能。

5 存在的问题

随着当前混杂纤维混凝土研究开展,也应注意到一些问题,包括:

1)目前的应用主要是采用单一纤维来增强混凝土,效果有限,而混杂纤维的应用可以取长补短,但目前相关研究和工程应用不足,尤其是不同纤维的混杂效应并不明确,尚未形成系统的增强机理解释模型。建立纤维增强机理的本构关系,是根本性问题。

2)研究方法的完善。目前对于混杂纤维混凝土的研究,主要是集中于力学性能方面,直接从提高混凝土的抗裂性考虑采用纤维混凝土的研究不足。结合混杂纤维混凝土抗裂性试验和数值计算结果,分析不同纤维掺量的试件抗裂性指标的变化,结合混凝土配合比中砂率、用水量等指标,找出不同因素水平与指标之间的关系,在各种抗裂性指标与纤维阻裂效应之间建立量化关系及其计算模型。

3)研究成果的市场推广。制约研究成果推向市场的因素有2个:一是价格因素,二是施工工艺。处理好这2个因素,才能使研究成果应用于生产,成为实用的技术。

纤维混凝土界面应力增强机理分析 篇7

纤维增强混凝土可在混凝土的受力变形过程中吸收大量能量, 有效改善混凝土的物理和力学性能, 对混凝土基体起到阻止裂缝引发、扩散的作用, 从而改善混凝土的变形性能。纤维与混凝土的局部粘结应力-滑移关系与纤维的材料性能、表面状况和纤维与基体的界面区性能有很大关系, 根据纤维表面状况的不同, 可以分为光面纤维和压痕纤维, 纤维表面状况不同, 拔出过程中纤维与基体间的粘结应力-滑移关系也不同[1]。

目前, 针对纤维混凝土的增强机理主要有两种代表性理论:一种是将纤维混凝土看作复合材料, 用复合材料力学的“混合律”方法进行分析, 复合材料的各项性能为混凝土基体性能和纤维性能的加权和;另一种是将纤维混凝土看作脆性材料, 用断裂力学方法进行分析, 称之为纤维间距理论 (或称阻裂理论) , 该理论认为纤维混凝土的增强效果与混凝土基体中的纤维平均间距有关[2]。所有其他理论均可认为是以这两个理论为基础经综合完善而发展起来的。当今的研究, 又进一步深化到界面细观结构和由此产生的界面效应、纤维混凝土微细观结构与宏观行为的关系等[3]。

本文根据复合材料的剪切滑移模型, 从界面力学的传递方面分析了纤维增强混凝土的机理, 以求得出纤维承受拉应力和剪应力的表达式, 并通过有限元进行了分析验证, 为纤维增强混凝土的机理提供依据。

1 纤维应力传递机理

纤维与混凝土之间的应力传递主要由三部分组成: (1) 混凝土中水泥胶凝体与纤维表面的化学胶着力; (2) 混凝土收缩时将纤维紧握而产生的摩擦力; (3) 纤维表面粗糙、凸凹不平与混凝土之间的机械咬合作用力。纤维与混凝土的局部应力传递和局部滑移关系如图1所示。加载初期, 由0至τ0一段主要由胶着力承担界面上的剪应力, 滑移量极小, τ0也很小。当粘结应力达到τA时, 混凝土的初始次生斜裂缝出现, 对于平直纤维, 界面间的摩擦力可以保证界面剪应力继续增大到B点, 此后随着纤维的不断拔出, 纤维与混凝土脱粘造成界面剪应力降低, 此后纤维与混凝土之间仅靠摩擦力来传递剪力, 界面间的剪应力变为恒值。对于变形纤维而言, τA至τB段表面咬合力占主导地位, 超过τB后主要靠齿肋的咬合力起作用, 粘结应力可进一步提高到τu, 直到肋间混凝土的剪切强度被耗尽, 纤维连同肋间的破碎混凝土逐渐被拔出, 剪应力降低为残余摩擦力.因此, 在整个纤维混凝土破坏过程中, 钢纤维都会起到增强增韧作用。

2 纤维混凝土的界面应力分析

2.1 应力传递模型

P.S.Chua和M.R.Piggott在1985年提出了改进的剪滞模型[4,5]。认为Cox的剪滞模型应力传递需要很强的界面粘结, 纤维端部的高剪应力易导致界面剪切脱粘而产生滑移。因此把界面分为中部弹性粘结区和两端脱粘滑移区两部分, 在弹性粘结区采用Cox的剪滞模型, 而在脱粘滑移区界面剪应力则实际为摩擦力τF。

为进一步研究纤维混凝土界面应力传递机理, 作如下假定[6]:

(1) 基体与纤维同时在弹性范围内变化, 界面上的剪切应力和剪切应变遵守弹性关系。

(2) 基体与纤维间的界面厚度无限小。

(3) 纤维与基体在界面上为理想粘结, 即与界面应变连续。

(4) 纤维在基体中规则均匀排布。

(5) 界面与基体的力学性能相同。纤维只受轴向拉压应力, 基体和界面只承受剪切应力, 离纤维较远的基体性能不受影响。

界面应力分析模型如图2所示, 其中单元中间是一根半径为rf的纤维, 周围是半径为R的混凝土基体。纤维受轴向力σf和σf+dσf作用, 界面剪应力为τi, 对理想的纤维混凝土受力模型进行分析见图2 (b) , 纤维微段上的平衡条件为:

式中, Af, uf—分别为纤维的横截面积和周长;

σf (z) —纤维受的轴向拉应力。

对直径为df的圆形截面, 则有:

Af=πdf2/4, uf=πdf

从图2 (c) 总体的z向平衡条件得:

式中, Am, Ac—分别为混凝土基体和纤维混凝土的横截面积;

σm (z) , σ—分别为混凝土基体和纤维混凝土的拉应力。

(a) 纤维在混凝土中的力传递; (b) 纤维微分段受力分析; (c) 纤维混凝土各部分受力分析

对图2所示半径为R的圆柱单元模型, 有:

Ac=πR2, Am=Ac-Af。

在纤维与混凝土基体界面上的位移差或者应变差产生的滑移为:

式中, wf (z) , wm (z) —z截面纤维与基体的位移。

根据假设 (1) , 纤维和混凝土基体都在弹性范围, 其本构关系为:

如果假定纤维与混凝土基体界面上的粘结滑移关系与坐标无关, 且为弹性摩阻关系, 则有:

式中, k—滑移模量;

τu, τF—分别为最大粘结强度和摩阻粘结强度。

下面分别在τ (l/2) ≤τu, τ (l/2) >τu两种情况下, 求解σf (z) 和τi (z) 。

(1) 当τ (l/2) ≤τu时 (弹性应力传递)

将式 (6) 两边对z求导, 得:

将式 (3) 代入式 (7) 得:

由式 (2) 得:

式中, Vm, Vf—分别混凝土基体和纤维的体积率。

将式 (9) 代入式 (8) 得:

式中, n=Ef/Em。

经进一步整理可得σf (z) 微分方程式:

式 (11) 的通解为:

将式 (12) 代入式 (1) , 可得:

由边界条件:σf(l/2) =σf (-l/2) =0, 确定式 (12) 、式 (13) 的常数A和B, 得:

代入式 (12) 、式 (13) , 可得:

在z=l/2处, 剪应力值最大。当最大剪应力τ (l/2) 超过界面弹性剪切强度τu, 界面粘结开始失效。

(2) 当τ (l/2) >τu时 (弹性摩阻力传递)

当τ (l/2) >τu时, 考虑图2所示模型。假定纤维在z≤ml/2范围内为弹性粘结, 在ml/2≤z≤l/2内的界面摩阻粘结τF为常数 (其中0τu的应力传递情况, 可得:

当0≤z≤ml/2, 有

当ml/2≤z≤l/2, 有

式 (16) 、 (17) 应满足的边界条件为:τ (0) =0;

将 (16) 、 (17) 代入式 (18) , 得:

式 (18) 中的m值可由式 (16) 计算的在z=ml/2处的τ (z) 等于界面剪切强度-τu得到。

由式 (16) 、 (17) 所得纤维混凝土在轴向拉应力作用下, 界面剪应力和纤维拉应力的分布如图3所示。

2.2 分析与讨论

比较式 (14) 、 (15) 和文献[7]中的式 (7.12) 可见, 剪切滞后和剪切滑移两种方法推出的纤维拉应力分布及纤维与基体界面剪应力的分布规律是一致的。在纤维混凝土中, 纤维呈乱向分布, 纤维混凝土在承受压力时, 纤维-基体的界面同样会把基体所受的压应力传递给横向纤维, 使纤维约束混凝土材料的横向膨胀, 发挥其增强作用, 从而提高材料的力学性能。

同时从式 (14) 、式 (15) 可看出, σf和τi均随钢纤维弹性模量和长度的提高而增大, 随纤维直径的增大而减小。这表明纤维弹性模量越高、纤维长度越大、纤维越细时, 更多的荷载能够通过界面从基体向纤维传递, 从而起到增强的效果。不难看出, 纤维长度的增加、纤维直径的减少, 均将导致纤维与混凝土基体的界面面积增加。因此, 式 (14) 、 (15) 满足复合材料的性能随界面性能的提高而提高的一般规律。

本文采用ANSYS有限元方法来验证上述理论模型的可靠性, 假设纤维增强基体模型中纤维:rf=0.5cm, l=15cm;基体:R=5cm, L=25cm;基体施加均布拉应力σ=20k N/m。钢纤维和基体均采用PLANE42轴对称实体单元, 纤维和基体均为弹性材料, 纤维弹性模时230GPa, 泊桑比0.20;基体弹性模量2.1E10Pa, 泊桑比0.2, 界面处用接触单元CONTACT48。由上述单纤维与基体间应力传递的理论模型计算所得最大剪应力为203.5Pa, 数值计算最大值为213.8Pa, 数值计算结果仅比理论计算结果大5.06%, 证明本文所推导出的纤维应力传递模型是可靠的。

3 结论

纤维混凝土是由骨料、水泥、水以及乱向分布的纤维组成的一种多相非均质复合材料, 基体中的纤维拔出过程可分为三个阶段, 即:完全粘结阶段、粘结滑移阶段和粘结脱离阶段, 改善纤维与基体界面的性能和增加纤维表面的粗糙度可增加界面粘结强度。

本文从两相复合材料的界面性能入手, 分析了纤维-混凝土基体界面上的应力传递, 采用有限元方法验证了应力传递模型的可靠性, 从细观界面力学的角度分析了纤维对混凝土基体的增强机理, 为纤维增强混凝土的增强复合材料界面力学提供了依据。

参考文献

[1]蔡四维.复合材料结构力学[M].北京:人民交通出版社, 1987.

[2]高丹盈, 刘建秀.钢纤维混凝土基本理论.科学技术文献出版社, 1994, 12.

[3]李丽娟, 张红州, 刘锋等.纤维与混凝土粘结的界面力学性能研究.新型建筑材料, 2004, (10) :1-5.

[4]张红州.纤维混凝土界面力学性能及纤维改性机理研究[D].广东工业大学学位论文, 2004.

[5]Swamy R N, Mangat P S, A theory for the flexural strength of steel fiber reinforced concrete.Cement and Concrete Research, 1974, l4, Issue2:313-325.

[6]Jamal Shannag M, Rune Brincker, Will Hansen.Pullout behavior of steel fibers from cement-based composites.Cement and Concrete Research, 1997, 27 (6) :925-936.

纤维增强沥青混凝土 篇8

桥面铺装不同于普通的高等级路面，桥面铺装体系在行车荷载、梁体变形和环境因素的复合作用下，与一般沥青混凝土路面相比，受力及使用条件要复杂得多[1]。由于公路建设过程中出现了交通量增大、轴重增加等新问题，这就对桥面铺装提出了更高的要求。而提高沥青路面的使用性能，要从优化桥面结构体系、提高表面层的品质、合理使用材料和提高施工作业水平等几个方面寻求解决办法[2]。其中组成沥青混凝土的材料是影响路面使用性能的重要因素，而沥青混凝土是由沥青、集料和矿粉以及其他外掺剂按一定比例组成的。因此寻找各种途径改善材料的性能和质量是至关重要的。借鉴和研究国外沥青路面技术发展的动态和做法，采用纤维作为添加剂是加强沥青桥面、提高桥面质量的一个有效的措施。

2 聚酯纤维改善沥青混凝土的作用机理

在沥青混凝土中掺加聚酯纤维后，纤维在混合料中以三维的分散相存在。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，使沥青膜处于比较稳定的状态。纤维将增加沥青和矿料的黏附性，通过沥青油膜的黏结作用，提高集料之间的黏结力，进而提高了沥青混凝土的水稳定性能。纤维均匀分散在集料之间，使沥青矿粉不能形成胶团，减少油斑出现的机率。同时，在夏天高温季节，纤维内部的空隙还将成为一种缓冲的余地，不致成为自由沥青而泛油，也有益于沥青混合料高温稳定性。纤维会提高沥青矿粉胶浆的黏结力；增加沥青与矿料的黏附性、握裹力；通过油膜之间的黏结，提高集料之间的黏结力，保证沥青路面的整体性，不易发生松散[3]。

3 桥面纤维沥青混凝土铺装的施工及质量检测比较

3.1 工程概况

通富北路是南通市的一条南北向主干道，道路跨越通吕运河建设通吕运河四号桥，上部结构为45m+70m+45m变高度预应力混凝土箱梁。

设计确定了桥面沥青混凝土铺装的方案。具体是：6cm C40钢筋混凝土调平层+5.5cm AC-20（掺聚酯纤维）下面层+3.5cm AC-13（掺聚酯纤维）上面层。

道路一般路段的机动车道路面面层为4cm AC-13+8cm AC-25，非机动车道的沥青路面为5.5cm AC-20下面层+3.5cm AC-13上面层。

对道路段（非机动车道）和桥梁段的AC-20、AC-13性能进行了试验比较。

3.2 下面层AC-20目标配合比设计

根据课题组的安排，分别进行了下面层普通沥青AC-20、加聚酯纤维普通沥青AC-20目标配合比设计以及上面层改性沥青AC-13、加聚酯纤维改性沥青AC-13目标配合比设计。本次室内配合比设计所用集料为石灰岩，沥青为韩国SK70沥青。

根据各种矿料的筛分结果，结合混合料级配要求，AC-20型设计级配曲线见图1。

按设计的矿料比例配料，采用5种油石比，进行马歇尔稳定度试验，试验结果见表1。

根据经验取最佳油石比为4.4%。

3.3 下面层加聚酯纤维AC-20目标配合比设计

掺加聚酯纤维AC-20目标配合比设计原材料除聚酯纤维外均与普通AC-20相同，本次配合比聚酯纤维按混合料总量的0.3%掺加。掺加聚酯纤维AC-20目标配合比级配与普通AC-20相同。

按设计的矿料比例配料，采用5种油石比，聚酯纤维按混合料总量的0.3%，进行马歇尔稳定度试验，试验结果见表2。

根据经验取最佳油石比为4.5%。

3.4 上面层改性沥青AC-13目标配合比设计

本次室内配合比设计所用集料为常州金坛花山玄武岩，沥青为江阴宝利SBS改性沥青，抗剥落剂为江苏文昌电子化工有限公司生产的TW-1型沥青抗剥落剂（用量为沥青Ã重量的0.4%）。Ä

根据各种矿料Ã的É筛分结果，结合混合料级配要Ä求，级配曲线见图2Ã。Ä

按设计的矿料比例配料，采用5种油石比，进行马歇尔稳定度试验，试验结果见表3。

根据经验取最佳油石比为5.0%。

3.5 上面层加聚酯纤维改性沥青AC-13目标配合比设计

掺加聚酯纤维AC-13目标配合比设计原材料除聚酯纤维外均与普通AC-13相同，本次配合比聚酯纤维按混合料总量的0.3%掺加。

掺加聚酯纤维AC-13目标配合比级配与普通AC-13相同。

按设计的矿料比例配料，采用五种油石比，聚酯纤维按混合料总量的0.3%，进行马歇尔稳定度试验，试验结果见表4。

根据经验取最佳油石比为5.2%。

3.6 下面层AC-20沥青混合料性能检测比较

参与对比的不掺加纤维的AC-20（道路非机动车道）生产配合比马歇尔试验数据见表5。

掺加纤维的AC-20生产配合比马歇尔试验数据见表6。

在下面层改性沥青AC-20、加聚酯纤维改性沥青AC-20生产过程中，我们还进行了性能验证试验，试验内容包括最佳油石比下的浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验来检验设计沥青混合料的水稳定性能；车辙试验（60℃）检验沥青混合料的高温稳定性能。具体试验结果见表7～表9。

根据试验结果可以得出：掺加聚酯纤维改性沥青AC-20混合料的水稳定性能和高温稳定性能均有所提高，其中高温稳定性能提升明显，掺加0.3%国产克拉丝聚酯纤维的改性沥青AC-20混合料比不掺加纤维的AC-20混合料动稳定度提高了125%。

3.7 上面层AC-13沥青混合料性能比较试验

参与对比的不掺加纤维的AC-13（道路非机动车道）生产配合比马歇尔试验数据见表10。

掺加纤维的AC-13生产配合比马歇尔试验数据见表11。

在上面层改性沥青AC-13、加聚酯纤维改性沥青AC-13生产过程中，我们还进行了性能验证试验，试验内容包括最佳油石比下的浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验来检验设计沥青混合料的水稳定性能；车辙试验（60℃）检验沥青混合料的高温稳定性能。具体试验结果见表12～表14。

根据试验结果可以得出：掺加聚酯纤维改性沥青AC-13混合料的水稳定性能和高温稳定性能均有所提高，其中高温稳定性能提升明显，掺加0.3%国产克拉丝聚酯纤维的改性沥青AC-13混合料比不掺加纤维的改性沥青AC-13混合料动稳定度提高了152%。

3.8 桥面铺装外观检测情况

设计组于2007年5月对通富北路桥面铺装进行了下面层施工外观质量检测。

从路面外观来看，整体上基本均匀，桥面铺装情况参见图3。

从图中可以清晰看，出纤维在粗集料空隙间大量分布。

经过以上施工工艺施工后，试验路路面颗粒分散均匀，无明显离析现象出现，表面更加平衡，路面颜色同其他路面相比呈微淡褐色。建成开放交通后，做了燃烧筛分试验、钻芯取样、摩擦系数、构造深度和渗水系数的检测。燃烧筛分结果表明，各关键筛孔用量均在规范范围内，实测沥青用量均符合要求；测得芯样上面层的空隙率平均4.3%，压实度平均99.7%，中面层空隙率平均5.3%，压实度平均98.2%；摩擦系数以试验温度下摆式仪测的摆值为准，试验路摆值平均65；构造深度采用铺砂法，测得的平均值为0.6；渗水系数平均30ml/min。

4 结论

根据试验结果可以得出：掺加聚酯纤维改性沥青混合料的水稳定性能和高温稳定性能均有所提高，其中高温稳定性能提升明显。

试验路建成通车至今，从路况来看，总体运行良好，但应进行长期的观测，以便进一步验证。

用聚酯纤维加强的热拌沥青混合料（HMA）的生产和施工工艺比较简单：聚酯纤维只是简单的“掺加”，而不用改变矿料级配设计；对沥青粘结料和矿料无特殊要求；生产、施工工艺与不掺纤维热拌沥青混合料基本相同，也不需要大量增加设备和人力，施工完全能达到技术要求。

聚酯纤维沥青混凝土桥面以其技术性能优良、施工简单、经济上合理等特点受到人们的关注，具有广阔应用前景。

参考文献

【1】黄晓明,高雪池,许涛.纤维加筋沥青混凝土在桥面铺装中的应用[C].第二届全国公路科技创新高层论坛论文集.北京:朝华出版社,2004.

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【5】黄晓明,高雪池,许涛.纤维加筋沥青混凝土在桥面铺装中的应用[C].第二届全国公路科技创新高层论坛论文集(上卷).北京:中国公路学会,2004.

【6】JTJ036-98公路改性沥青路面施工技术规范[S].