纤维沥青混凝土材料性质试验研究论文结构

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摘要：公路交通量的增加、轴载的增大、速度的提高，使得改善沥青路面的实用品质，延长道路的使用寿命，提高公路建设投资效益等成为目前我国道路工程技术人员所面临的重要课题。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，受到了国内外道路工作者的重视，已逐渐成为重要的研究应用方向。

关键词：纤维沥青实验研究

中图分类号： TV331 文献标识码： A

其工程特点如下：

（1）不需要大的设备、复杂的工艺和较高的技术 ；

（2）虽然建设初期费用增加（原材），但从一定周期来看，其投资与普通混凝土路面相比还要节省许多。

国外的应用与发展：自20世纪60年代开始，最初，澳大利亚、加拿大等国家首先在沥青混合料中添加纤维材料并开始研究。随后，美国、西欧等国家也相距开始研究应用； 20世纪70年代达到高潮；最近几年来，国外的一些专家和学者大量提倡纤维沥青混凝土。

国内的应用与发展：自20世纪80年代开始，同济大学、长安大学等院校先后对其性能进行了大量研究；20世纪90年代，已引起了国内人们的大量关注，并开始引入该技术；最近几年，我国多个省市都开发了自己的纤维产品和纤维添加设备；多个省市开始研究应用，并铺筑了一些试验段，切已证明试验段效果良好。

本文的主要工作 ：

1．纤维最佳用量的确定；

2．不同的纤维沥青混合料与普通沥青混合料马歇尔技术指标的比较；

3．不同的纤维沥青混合料与普通沥青混合料水稳定性的分析比较；

4．不同的纤维沥青混合料与普通沥青混合料高温稳定性的比较；

5．不同的纤维沥青混合料与普通沥青混合料低温抗裂性的比较；

6．纤维增强沥青混合料的作用机理研究。

第2章 马歇尔试验技术指标比较

2.1 试验方案设计

2.2 原材料

2.3 马歇尔试验

试验方案：

方案 掺加纤维名称

方案一 不加纤维

方案二 聚酯纤维

方案三 聚丙烯腈纤维

方案四 80％聚酯纤维＋20％聚丙烯腈纤维（混合纤维）

原材料 ：

沥青：采用山东淄博的道路石油沥青90A ；

集料：粗细集料及矿粉的产地均为新密市；

纤维：采用江苏射阳强力纤维制造有限公司生产的聚酯纤维和聚丙烯腈纤维 。

以上原材料所检项目均符合规范要求.

马歇尔试验试件的成型：

对于常规沥青混合料，严格按照规程进行操作。

对于纤维沥青混合料，应先将纤维同矿料一起拌和约60s至大体均匀后，再加入沥青拌和90s，最后加入矿粉一起拌和60s，总拌和时间约3.5min，比普通沥青混合料的拌和时间约增加30s；

添加纤维时一定先将纤维束分散，否则拌和时容易结团，且增加拌和时间；

沥青的温度160℃，矿料的温度为180℃。

在混合料中掺加纤维，并不是越多越好，纤维用量不同，纤维在混合料中的分散型式、有效比表面积以及对混合料的加强作用也不尽相同。所以首先应该求出纤维最佳用量。

为此，本试验对掺加不同纤维用量的混合料马歇尔试验结果进行比较。根据纤维材料的用量说明（0.2％～0.35％），纤维用量分别取沥青混合料总重的0.24％、0.28％、0.32％（对每一个掺量，均先求出最佳油石比，在最佳油石比下进行比较）。

聚丙烯腈纤维沥青混合料马歇尔指标：

混合纤维沥青混合料马歇尔指标：

以上试验结果表明，随着纤维剂量的增加，沥青混合料的最佳沥青用量也在增加，但到一定程度后增加幅度变缓 ；混合料的密度变小；空隙率增大；马歇尔稳定度出现一最大值，而流值则随着纤维用量的增加而增加。

纤维作为一种稳定剂，如同填料矿粉一样，需要有更多的沥青包裹在纤维的表面，纤维越多，其总比表面积越大，所以吸附的沥青也就越多；但当纤维用量过高时，纤维在沥青混合料的分散性就要受到限制，可能会产生结团等现象，这样纤维的总比表面积有可能不增加或者增加不大。

纤维剂量较小时，分散较均匀，且有纤维加强作用，稳定度也有所增加；但较大的纤维剂量下，其分散性受限制，故马歇尔稳定度值随纤维剂量增加而增加，到一定值后反而有所降低。流值同沥青用量有关系。纤维的用量并不是越多越好与普通混合料马歇尔指标的对比：

第3章 水稳定性试验研究

3.1 水损害产生的原因

3.2 浸水马歇尔试验

3.3 冻融劈裂试验

所谓沥青路面的水损害破坏，是指沥青路面在水存在的条件下，经受交通荷载和温度膨胀的反复作用，一方面水份逐步浸入到沥青与集料的界面上，对沥青混合料引起冲刷和侵蚀作用，影响沥青与集料的粘附性；另一方面由于水动力的作用，沥青膜逐渐从集料表面剥离，并导致集料之间的粘结力丧失而发生的路面破坏过程。

一般认为水损害的原因主要有以下几方面：

（1）材料方面：集料的岩性，矿料表面特征，混合料的类型，混合料均匀性等多方面。

（2）路面排水影响

（3）施工工艺影响

本文主要采用了浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验两种试验方法来比较普通沥青混凝土和不同类型纤维沥青混凝土的耐水害性能。

浸水马歇尔试验：

浸水马歇尔试验残留稳定度评价混合料耐水害性能，在世界各地得到广泛应用。

将马歇尔标准试件分成两组：一组在60℃水浴中保养30―40min后测定其马歇尔稳定度MS1；另一组在60℃水浴中恒温保养48h后测定其马歇尔稳定度MS2，用残留稳定度MS0= MS2 / MS1 ×100%来表征混合料的水稳性能，MS0值越大，水稳性越好。

马歇尔残留稳定度：

浸水马歇尔试验的操作方法虽然简单，但不能较好的反映实际沥青混凝土路面早期的水损情况，为了更有效地评价沥青混合料的水稳定性，本文又进行了冻融劈裂试验。

同浸水马歇尔试验试件一样，高度为63.5mm。对符合条件的试件随机分成两组，每组5个试件。

将第一组试件（标准试件）放在室温下保存备用，第二组试件（条件试件）经过以下方法处理：

a.室温下浸水20min；

b.在98.3kPa～98.7kPa的真空条件保持15min，恢复常压后，试件在水中保持0.5h；

c.对抽真空试件用塑料袋装好，加入约10ml水，扎紧袋口，放在-18℃的冰箱中冻16h±1h；

d.取出试件，在60℃±0.5℃的恒温水浴中保温24h。

冻融劈裂强度比：

第4章 高温稳定性试验研究

4.1 高温稳定性分析

4.2 车辙试验

高温稳定性分析：

沥青路面高温稳定性是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力 ，高等级沥青路面中主要发生的高温病害多以车辙为主。

车辙致使路表过量变形，严重影响了路面的平整度；轮迹处沥青层厚度减薄，从而削弱了面层及路面结构的整体强度，易于诱发其它病害 。

由于马歇尔稳定度和流值试验与路面长期使用性能无关，对于控制车辙更是相距甚远，不能全面评价混合料在高温下受频繁车轮荷载作用的变形特性，因此采用车辙（动稳定度）试验作为评价高温稳定性的主要方法。

试验条件：

试件用轮碾仪制成300L×300L×50L车辙板 ：

a、试验荷重

试验荷重为700N，试验轮与试件接触压强在60℃时为0.7MPa±0.05MPa。

b、试验温度及试件养生时间

试验温度采用60℃（内部温度60℃±0.5℃），测试前试件放入恒温室（60℃±0.5℃）养生不少于5 h，也不多于24 h。

c、试验轮行走距离及行走速度

试验轮行走距离为230L±10L，往返碾压速度为42次/min±1次/min（21次往返/min），试验轮在试件的中央部位，行走方向与试件成型碾压方向一致。

试验结果：

第5章 低温稳定性试验研究

5.1 低温稳定性分析

5.2 低温弯曲试验

沥青混合料面层低温开裂是路面破坏的主要形式之一，是各国道路界普遍关心的问题。

冬季随着温度的降低，沥青混合料的强度和劲度都会明显增大，但其变形能力却会显著下降，应力松弛赶不上温度应力的增长，超过混合料的极限强度或极限拉伸应变，便会产生开裂，横向裂缝就是这些因温度而产生开裂的主要形式。

本文研究通过试验测定沥青混合料在-10 ℃时弯曲破坏的力学性质来评价沥青混合料的低温抗裂性能。

低温弯曲试验的温度为-10℃。试验加载速率为50L/min。弯曲小梁试件采用300mm×300mm×50mm的车辙板试件切割成30mm×35mm×250mm的棱柱体小梁。一组试验用小梁四根，将试件置于规定温度的恒温水槽中保温45min或恒温空气浴中3h以上，梁式试件支座测点间距为200mm。

从恒温箱中取出试件，立即对称安放在支座上，试件上下方向应与试件成型时的方向一致，安放好位移测定装置，对位移测定装置和荷载传感器进行量程设置和调零处理，开动压力机进行中点加载，同时启动计算机采集测试数据。

第6章 纤维沥青混凝土材料性质分析

6.1 纤维对沥青混合料技术指标的影响

6.2 纤维在沥青混合料中作用机理

对各指标影响：

最佳沥青用量（油石比）：因为纤维的吸附及吸收作用，所以最佳沥青用量增大；

密度；纤维的相对密度均较小，体积也较疏松，且纤维有一定的弹性效应，所以纤维会使其密度值减小；

稳定度：纤维在沥青混合料中的分散是连续而均匀的，故有不同程度的桥接加筋和阻裂性能，其混合料的抗破坏能力也就得到增强，所以稳定度增加，

流值：纤维使沥青用量增大时，纤维的抗变形能力和吸附沥青的能力得以充分体现，其流值快速增长；

空隙率：纤维加入均要占一定空间，且在纤维的弹性效应作用下，用相同的击实功能击实时，其密实过程受到阻碍，故纤维加入后空隙率均有增大趋势 。

对各指标影响：

水稳定性：因为纤维可以吸附部分沥青，增大沥青用量，从而使粘附在矿料上的结构沥青膜变厚，降低了水对沥青胶浆的侵蚀破坏作用，增强了沥青胶浆抵抗自然环境破坏的能力，使混合料抗水损害能力增强；

高温稳定性：由于纤维对沥青的稳定、加筋和桥接、应力分散与均衡等作用对混合料后期的侧向流动变形有较大的影响，从而大大地改善沥青混合料的高温性能；

低温稳定性：由于纤维的增粘，增韧等作用使沥青混合料的抗弯拉强度变大，其破坏时的最大弯拉应变也变大

作用机理：

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/纤维在沥青混合料中的主要作用分述如下：

主要作用：

分散作用；

加筋作用 ；

吸附及吸收沥青的作用 ；

阻裂作用 ；

稳定作用 ；

增粘作用，提高粘结力 ；

增韧作用

第7章 工程案例

为了验证室内试验的结论，本文开展了纤维沥青混凝土工程应用研究。工程应用选定郑州境的G107线上（K743+566―K743+816）跨越十八里河小刘桥桥面，大约250m的试验段，铺筑了AC-16型混合纤维沥青混凝土路面；

施工后，与普通沥青混凝土相比，路面材料分布更均匀，表面更平整，路面颜色同其他路面相比呈微淡褐色，这主要与纤维加入后对沥青的吸附作用有关。

经过二年多高低温度的交替和行车的考验，2008年4月对该桥路面进行路况检测，试验段表面比普通路面平整舒适，基本没有横缝的产生，且没有明显的车辙现象。在桥两端连接段的普通沥青混合料路段，短短的190m内就有6条横向裂缝，间距约3m～5m，且裂缝全路横向贯通，并有明显的车辙。

第8章 结论与展望

结论：

1．纤维的用量有一个最佳值。纤维加入太少，其改善效果不够理想；但如果加入太多，则分散程度不好，不但影响改善效果，而且吸附大量的沥青，增加成本。

2．同一级配下，纤维的加入，使得沥青混凝土的最佳沥青用量增大，且最佳用油量随着纤维用量的增加而增加。一般情况下，在最佳纤维用量时，沥青混凝土的最佳沥青用量较常规时增加0.25％左右。

3．随着纤维的增加，马歇尔稳定度出现峰值，而流值则单调增大。在最佳纤维用量时，马歇尔稳定度有明显的提高，而流值也在规范规定的范围内。

4．纤维密度较小，且有一定的弹性效应，所以纤维加入后，在相同击实功下，沥青混合料的密度变小，空隙率变大。在实际施工中，应增加碾压遍数，以确保沥青混凝土的密实度。

5．纤维的加入能有效改善沥青混凝土的水稳定性、高温稳定性和低温稳定性。

6．聚丙烯腈纤维的改善效果明显优于聚酯纤维的改善效果，但聚丙烯腈纤维的单价也较高，从经济技术统计综合指标来看，将两种纤维混合加入沥青混凝土具有较好的推广应用价值。

展望：

纤维作为一种高强、耐久、质轻的增强材料，能有效改善沥青混合料的路用性能；在道路工程中得到广泛的应用；

国内外的研究和应用实践也证明，在沥青混凝土中加入纤维后，沥青路面的力学性能、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和疲劳耐久性等综合路用性能均得到增强，尤其是路面的抵抗裂缝能力明显提高；

纤维是一种理想的高性能路面加固和修复材料。在未来的道路发展史上，纤维沥青混凝土，尤其是软纤维沥青混凝土存在广阔的发展空间。