（水利工程专业论文）公路工程沥青混凝土路用纤维性能分析.pdf

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r e i n f o r c e da s p h a l tc o n c r e t ei sa n e f f e c t i v ep r e c e p t a st h et e c h n o l o g yo ff i b e rc o n c r e t ed e v e l o pi nt h eh i g h w a ya r e a ， m a n yp e o p l eg l o mo nt ot h em a r k e t s ot h e r ea r em o r ea n dm o r em a t e d a lc o m p a n i e s c o m eo u ti n s i d ea n do u t s i d et h ec o u n t r y , a tt h es a m et i m e ，t h em a t e r i a l sh a v em a n y t y p e s s o m em a t e r i a l s ，w h i c hh a v e n tb e e nt e s t e d ，a r ea p p f i e dw i t ht h em o d e r nt h e o r y , t h e r em u s th a v ei n f l u e n c ei nt h eq u a l i t ya n dc o s to ft h er o a ds u r f a c ep r o j e e ta n ds oo n a sl o t so ft y p e si nm a t e r i a l s ，t h e r ea r em a n yd i f f e r e n c e si nt h ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ， t h ep e r f o r m a n c ea n dt h eq u a n t y ，a tt h em e a n t i m e ，t h e r eh a v et h ep r o b l e m si nt h e d i f f e r e n c e o ft h ei m p r o v e m e n to ft h ec o n c r e t ep e r f o r m a n c e i no r d e rt of i n dt h e m a t e r i a l sw i t hr i g h ts p e ea n dq u a i l t y , a n dw e l le x t e n dt h ea p p l y i n go ff i b e r - r e i n f o r c e d a s p h a l tc o n c r e t e ，t h ea n t h o rm a d eah o l i s t i ci n v e s t i g a t i o no nf i b e r , s o m ei n t e r r e l a t e d c o n f f a s t i v et e s ta n a l y z ea n de v a l u a t i o nt of i b e l p e r f o r m a n c e t h r o u g ha n a l y z i n gt h et r u ee n g i n e e r i n ge x a m p l e s 。t h i sp a p e rd e m o n s 订a t e st h a t f i b e r - r e i n f o r c e da s p h a l tc o n c r e t ei sf e a s i b l e ，e f f e c t i v ea n da p p f i e d t h em e t h o d sa n d r e l e v a n tm e a s u r e s w h i c ha r em e n t i o n e di nt h ep a r i e r c a nb eu s e dt or o u n d l y , e x a c t l y a n a l y z ea n ds e t t l et h ep r o b l e mt h a ti so c c u r r e di nf i b e r se l e c f i o na n da p p f i c a t i o n t h i s p a p e ri sh e l p f u lt os t u d yf i b e r - r e i n f o r c e da s p h a l tc o n c r e t e ，a n da l s oh a sp r a c t i c a lv a l u e f o rt h er o a ds u r f a c ep r o j e c t k e y w o r d s ：r e s e a r c hf i b e r - r e i n f o r c e da s p h a l tc o n c r e t ef i b e rr o a d s u r f a c ee n g i n e e r i n g p e r f o r m a n c e i n f l u e n c e 5 山东大学i 程硕士学位论支 公路工程沥青混凝土路用纤维性能分析 一、前言 1 1 国内外研究现状 自德国建成世界上第一条高速公路起，至今已经有6 0 多年的历史。第二次 世界大战后，国外高速公路发展很快，大部分发达国家的高速公路网早就已经 建成，全面进入维修养护期。高速公路的修建需要一整套先进的科学技术，在 国外近年来得到了令人瞩目的发展和进步。 高速公路的修建技术在国外已经形成成套技术，包括各种类型的路面结构 及路面使用性能水平的测试与评定、残余寿命的测算、路面补强设计、维修养 护方法的确定、维修养护安全作业、大交通量路段不影响正常通车的夜间施工 技术，以及针对各种不同路面破损类型的改善措施等等。尽管国外已经拥有成 熟的技术，但近年来的研究工作仍然非常重视，改性乳化沥青稀浆封层技术、 沥青玛蹄脂碎石混合料技术、土工合成材料应用技术和纤维沥青混凝土技术是 国外近年来研究的重点；在法国和西班牙，在精细表面处治中添加纤维的做法 使混合料的抗滑性能和耐久性、抗裂性能得到了全面的提高。在我国公路的路 面结构中，沥青路面占有相当重要的位置，尤其是高等级公路已占到9 0 左右。 但是，随着公路交通量的增大，轴重的增加，交通的渠化等，一般的沥青路面 就出现严重的早期破损如车辙、开裂、坑槽等病害，从而使其使用寿命大大缩 短、服务水平急剧下降等。为此，我国公路研究人员一方面从沥青路面结构入 手进行研究以解决沥青路面的病害，另一方面主要从沥青混合料的结构类型、 材料的使用研究入手，提出了：多碎石沥青混凝土( s a c ) 、沥青玛蹄脂碎石 ( s f a ) 、纤维沥青混凝土( f a c ) 等混合料级配类型，以及提出以重交通沥青为 基础沥青的改性沥青，以提高混合料本身的力学性能，满足高等级公路的需求。 但是，上述相应措施一般均需要严格的原材料选择、特殊配比设计以及极为苛 刻的施工工艺及施工操作控制，这就限制了上述措施的应用及发展。近年来， 参考国外的发展动态和作法，路用性能好、施工技术简单的纤维加强沥青混凝 土引起我国公路研究部门的普遍关注。纤维作为一种高强、耐久、质轻的增强 材料，由于能极大的提高沥青路面的力学性能及提高使用寿命，自2 0 世纪7 0 6 山东大学i 程硕士学位论文 年代，德同欧美等许多国家对沥青路面的路用木质素纤维的研究应用达到高潮。 比如木质素纤维在沥青混合料中的应用终结了沥青工程不可加强的时代，美国、 加拿大等国已利用木质素纤维修筑了高速公路及其他在交通量的公路。通过观 测和研究，木质素纤维可以改善沥青路面的高温稳定性，疲劳耐久性，并且具 有低温抗裂和防止反射裂缝的性能。正是由于具有以上优良品质，木质素纤维 也被用在机场路面、桥面铺装、收费站等路面中。木质素纤维进入中国是在9 0 年代中期目前，在我国的多个公路项目中得到应用，比如北京三环、四环、机 场路、京哈、京沪、沈大、宁通、宁合、同三、长余等高速公路。取得良好的 成绩和社会效益及经济效益。纤维沥青混凝土就是掺入纤维的沥青混凝土，其 作用是通过纤维的加筋与桥接作用，以提高沥青混合料的力学性能。由于沥青 混凝土必须在高温下进行拌和，要求加强纤维材料必须耐高温。木质素纤维作 为沥青混凝土加强筋的一类，具有高吸油性、高取向性、高粘结性等路用性能， 它能改善沥青砼的热稳定性和低温抗裂性，对沥青路面的裂缝、松散有良好的 抑制作用。经过特别工艺加工成的聚丙烯腈纤维、聚酯纤维等的熔点温度为 2 8 0 ，具有较好的高温稳定性与断裂延伸率，作为沥青混凝土纤维加强筋，能 够很好的提高沥青路面的力学性能。据宾夕法尼亚州州立大学的研究和在公路 中的实践，比较普通混合料，可以将疲劳寿命提高2 5 4 5 ，车辙量减少4 5 5 3 。其力学性能特点表现为在- - 4 0 2 8 0 的温度内不脆化、不软化变 形、不变质，与沥青有极强的吸附性，且不缠绕，当每吨沥青混合料掺入3 k g 时将有8 0 亿根以上。 1 2 项目研究的目的、意义 近年来，随着社会经济的飞速发展，愈来愈多的道路由于交通流量的增大、 恶劣的气候条件和工程技术等方面的原因而达到了其服务极限，因此尽快找出 最经济的方式来延长路面使用寿命已显得越来越重要。解决该问题的一个方法 就是更多地利用那些相对耗资较少的处理技术来提高道路的功能条件。纤维沥 青混凝土技术的研究就是为找到这样一种合理有效的方案。我们知道沥青混凝 土路面因其具有较高的强度和良好的使用性能，一直是我国高等级道路工程普 7 山东大学i 程硕士学他论文 遍采用的高级路面。但由于种种原因，路面性能往往达不到预先要求，产生了 不同程度、不同形式的早期破坏，缩短了寿命，影响了车辆的正常运行。例如 我们了解发现的浙江上山高速公路情况：2 0 0 0 年1 2 月2 6 日建成通车，运营不足 半年路面出现了网裂车辙、坑槽等路面早期病害，之后病害进一步加剧，影响 了行车安全。2 0 0 1 年1 1 月1 2 日采用改性沥青混凝土对上中面层进行了病害处 理，改善了当时的路面状况。2 0 0 2 年7 月以坑槽、车辙为代表的路面病害再次 发生，到夏季又加剧破坏；沪宁高速公路自1 9 9 6 年建成通车以来，高速公路上 通行的超载车辆越来越多，加之该路段又处于长江三角洲降水较多地区，道路 受水损破坏较为严重。沪宁高速公路上海段，期间陆续进行过一些简单的罩面 维修，运营时间不常，面层依然出现了车辙、裂缝、麻面、泛油、坑槽、松散、 沉陷、翻浆等老病害，严重影响了行车速度和安全，降低了道路的通行能力。 为改善现状，目前他们已在尝试用沥青路面现场热再生技术进行修复，不过这 项工艺对材料、设备、施工技术等要求很高，初期费用特别大。这样的实例还 有很多，不仅仅在高速公路领域，等级公路和市政道路同样普遍。这些情况说 明普通热沥青混合料的性能越来越局限，已经不能满足现实的要求。造成这些 破损的原因有很多，交通条件、气象条件、材料因素、施工水平、管理水平等， 但除了外界因素的影响，面层本身的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗 疲劳性能等不足是很快重复出现问题的主要原因，这在国内外已经形成共识。 因此国内外有许多有关改善普通热混合料性能的新材料新工艺研究。如目前较 前沿的改性沥青混合料技术( 国外称之为s a m ) 、s i l a 混合料技术、纤维沥青混 凝土技术、沥青路面再生等。这几种技术都有各自优缺点，比如s m a 混合料， 其虽可以提高路面的使用性能，延长路面使用寿面，但缺点是设计指标要求较 高，施工难度较大，生产效率较低，生产成本约增加3 0 左右，初期投资比较 大等等；再生技术其工艺复杂，混合料拌和质量控制难度较大，再生设备价格 比较昂贵等也是不利推广的因素。相比而言，纤维沥青混凝土有其特别的优势， 受业界广泛关注。纤维沥青混凝土是借鉴s m a 混合料的形成机理，在普通级配 沥青混凝土的基础上，加大矿粉用量，适当增加沥青用量，然后再添加纤维稳 定剂，形成一种新型的、掺加纤维的沥青混凝土。该沥青混凝土由于沥青与矿 粉用量大，可大大提高其低温抗裂性、水稳定性、耐久性能；由于纤维稳定齐j 8 山东走学i 程碗士学位论| 史 的存在，能将沥青与矿粉稳定住，不致于在高温季节泛油，从而提高了其高温 稳定性能。这种沥青混合料的设计指标可按照现行的公路沥青路面施工技术 规范执行，混合料拌和质量控制及施工难度都不大，工程造价提高不多，但 技术性能却有全面而较大提高，比较适合在新、改建工程中应用。包括在桥面 铺装领域：大型桥梁由于其特殊地理位置通常是一些高速公路的隘口，它的通 行状况直接影响着整条高速公路的正常运营。因此，桥梁建设对工程对质量有 着更高、更特殊的要求，不能经常由于维修进行封闭，给交通及人们生活带来 不便。桥面铺装是桥梁建设的一个重要环节，它的好坏直接影响到行车质量、 桥梁的维修次数和使用寿命。实际设计中，建设者们需要考虑桥面铺装层的特 殊性，尽可能使用特殊的材料，以保持桥面的耐久性。因此纤维沥青混凝士以 其特有的优势倍受人们关注。然而纤维的种类繁多，加工工艺亦有很大区别， 性能差别也很大，所以其质量参差不齐，对砼性能的改善有较大的差异。因此， 如何结合近几年来公路路面的设计、施工和管理经验，依据目前纤维沥青混凝 土技术的研究情况，分析不同类型纤维的具体差异和对混合料各项相关性能的 影响，尤其是从其重要的几项性能：沥青路面的抗车辙、抗开裂、抗疲劳及抗水 损坏能力等性能改善程度出发，来分析研究纤维沥青混凝土改善技术中的材料 优选理论，对今后行业内试验与应用具有十分重要的参考意义。 1 3 目前存在的问题 目前纤维改性沥青混凝土技术受业内高度重视，国内一些科研单位和工程 部门也进行了在沥青混凝土中掺加纤维的试验，取得了很多有意义的数据。如： 华南理工大学交通学院有关木质素纤维与腈纶纤维在s m a 结构中改善性能区 别；东南大学交通学院对聚酯纤维与腈纶纤维改善沥青混合料比较；长安大学 公路学院关于不同纤维对沥青胶浆和沥青混合料高温性能影响的研究；武汉理 工大学有聚合物纤改性沥青混凝土性能的研究，还有一些工程应用理论等等， 一些权威的混凝土研究的学院和机构等。这里不一一列举。我国现在已经有不 少木质素纤维的产品，有的单位和厂家也开发了矿物纤维。同时国外的众多的 纤维产品，包括木质素纤维( 颗粒纤维和絮状纤维) ，矿物纤维都在中国销售。 9 山东大学i 程硬士学位论史 从价格上看，木质素纤维的单价一般比矿物纤维要高，但一些国外的矿物纤维 产品的单价甚至比木质素纤维还高，而且比重大，用量多，之间差别较大。 从施工角度看，早期都使用松散的絮状纤维，施工时做成小包由人工添加， 其缺点是在运输储存过程中容易成团结块。容易吸潮，影响纤维的使用效果。 后来不同的国家从不同的途径来解决这个问题。德国j r s 开发了与沥青混合制 成的颗粒状产品，改由机械添加，特别方便。但能否将纤维均匀地分散在沥青 混合料中是纤维能否发挥性能的关键，因此它必须在矿料投入时投入，且延长 搅拌时间。欧洲大部分国家和美国、日本等则效力于开发专用的松散纤维添加 设备，在喷入沥青的同时风送投入纤维，使纤维先混合沥青再与矿料拌和，纤 维分散好，不需要延长搅拌时间。松散的矿物纤维施工情况与木质素纤维相仿， 吸油还少，性能与木质素纤维不相上下。不同纤维之间具体工艺差别有影响。 相比起木质素纤维和矿物纤维来说，各国对聚合物纤维使用都比较少。其 原因比较复杂。首先是担心化学纤维能不能承受高温拌和温度，因为有时候聚 合物纤维在高温拌和时会熔化卷曲，那么它是起到改性剂的作用呢，还是起到 了纤维增强的作用，从机理上说不清楚。另一个主要原因是由于聚合物化学纤 维价格通常要比木质素纤维和矿物纤维高的多，有的甚至要高好多倍。例如： 某种国外的聚合物纤维在中国推销的价格达7 万元t 到l o 万元t ，用量0 2 0 3 ，1 吨混合料使用聚合物纤维需要增加1 4 0 元到2 1 0 元，比1 吨沥青混合 料使用的沥青成本还要高，相当于沥青混合料的价格翻了一翻，则无疑是无法 接受的，而且肯定它不能起到把沥青层厚度增加一倍这样出色的效果。相反， 如果把木质素的用量从0 3 提高到0 6 ，性能就不见得比它差了。性价比评 价有较大差异，难判断。 与木质素纤维对比，聚合物纤维的强度，抗氧化能力和抗酸碱腐蚀能力都 有提高，从“加筋加强”角度看，它优于木质素纤维，但从“吸油”的角度看， 它不如木质素纤维。 应该说纤维沥青混凝土研究应用已有一定的经验和成果，但综观这些存在 的问题可以归纳以下几个方面：1 ) 对纤维增强效果方面基本一致认可的，但对 材料的认识与具体工艺上，研究人员有着不同的观点，没有形成统一；2 ) 研究 1 0 山东大学i 程硕士学位论文 选用的材料比较单一，没有多方面对比，较片面；3 ) 纤维材料的吸油性、吸水 性、增粘性等差异对沥青混凝土性能影响没有较准确具体的试验数据，大多是 参考生产商，不能很好反应出材料差异与混合料性能、成本的对应关系；4 ) 选 择评价方法还不成型。 1 4 有待继续研究的方向 随着纤维沥青混凝土在公路领域的发展，市场的前景为大家看好，所以国 内外不断涌现许多材料商，材质也更为多样；有些材料甚至没有试验就参考现 有的理论开展应用，这势必影响到路面工程质量、造价等。针对目前的这些问 题，有必要开展以下几方面针对纤维的研究，以期找到优选纤维材料理论方法， 来更好地推广应用纤维沥青混凝土。 1 4 1 方向 ( 1 ) 路用纤维性能分析 选择不同厂家或生产工艺生产的纤维，通过先进技术手段测定其各项技 术参数，以比较其中的差异。 ( 2 ) 纤维的路用性能分析 主要针对目前公路路面关注的纤维沥青混合料的物理、力学性能，分析 不同纤维对混合料性能的具体影响。 ( 3 ) 路用纤维的选择评价方法。 1 4 2 路线 ( 1 ) 对国内外纤维应用的情况进行全面的调查，比较国产及进口各种纤 维的规格，纤维的品种等具体差异。以及国内外关于纤维混凝土的应用研究现 状。 目前国内生产纤维的厂家比较多，所采用的原料也不尽一样，生产的品种 规格和纤维的聚合工艺也不一样，原材料、聚合工艺、纤维规格的不同产生的 性能影响差别很大。因此为了纤维沥青混凝土的更好推广应用，有必要对国内 纤维的市场进行全面彻底的调查。 ( 2 ) 依据材料本身特性( 纤度、标准直径、长度、纤维材料、比重、抗 山东大学i 程礤士学位论文 拉强度、弹性模量、断裂伸长率、耐温耐腐蚀等) 和分散性、吸油性、吸水性、 施工方便性等为考核指标，通过检测手段和室内材料试验，确立不同纤维和性 能具体差别的对应关系； ( 3 ) 研究纤维混合料的材料与性质评价方法方法 本研究针对纤维沥青混凝土涉及的纤维选材指标和性能主要指标系统分 析总结，确立出实用的基本判断理论方法，提供今后试验与应用有价值的参考。 本文试图在这个角度提供一次尝试。文章分为五个部分，第二部分对已有 的相关纤维理论进行简要综述，并比较了其中的差异之处；第三部分给出基本性 能比较，与已有研究不同的是：本文建立了材料初选分析，在此基础之上将材 料本身的差异因素、性能的差别以及已有的一些研究理论共同纳入分析模型中 形成综合；第四部分进行方法和规律的提炼，期望对实际使用有价值；在最后 部分对文章进行小结。 二、沥青路用纤维综述 2 1 路用纤维概况 在我国公路的路面结构中，沥青路面占有相当重要的位置，尤其是高等级 公路已占到9 0 左右。但是，随着公路交通量的增大，轴重的增加，交通的渠 化等，一般的沥青路面就出现严重的早期破损如车辙、开裂、坑槽等病害，从 而使其使用寿命大大缩短、服务水平急剧下降等。为此，我国公路研究人员一 方面从沥青路面结构入手进行研究以解决沥青路面的病害，另一方面主要从沥 青混合料的结构类型、材料的使用研究入手，提出了多碎石沥青混凝土( s a c ) 、 沥青玛蹄脂碎石( s m a ) 等混合料级配类型，以及提出以重交通沥青为基础沥青 的改性沥青，以图提高混合料本身的力学性能，满足高等级公路的需求。但是， 相应上述措施一般均需要严格的原材料选择、特殊配比设计以及极为苛刻的施 工工艺及施工操作控制，这就限制了上述措施的应用及发展。近年来，参考国 外的发展动态和作法，路用性能好、施工技术简单的纤维加强沥青混凝土引起 我国公路研究部门的普遍关注。 纤维作为一种高强、耐久、质轻的增强材料，由于能极大的提高沥青路面 的力学性能及提高使用寿命，自2 0 世纪7 0 年代，欧美等许多国家对沥青路面 由东x - 学i 程硕士学位论文 的路用纤维的研究达到高潮。 2 2 路用纤维的分类及选择 纤维沥青混凝土就是掺入合成纤维的沥青混凝土，其作用是通过纤维的加 筋与桥接作用，以提高沥青混合料的力学性能。纤维的种类、纤维的材料一直 是国内外工程界人士研究的课题。目前，纤维通常分为硬纤维和软纤维两类。 硬纤维通常是指经过拉、拔、轧、切工艺制作的钢纤维；软纤维是由合成纤维 制成，一般分为两类：一类为木质素纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈等聚合物有机 纤维维；另一类为石棉纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等矿物无机纤维。目前路 用纤维主要集中在木质素纤维、矿物纤维、聚合物化学纤维三大类。 现在纤维几乎成了s 姒的必须成分，其原因与s m a 使用较多的矿粉与沥青 结合料有关。至于它在s m a 混和料中的作用，现在有很多不同的说法，造成确 认方面的难度。 在选择何种纤维时，应考虑纤维本身的性质及特点，对沥青混合料的加强 效果，以及应满足施工工艺的要求。这也是本文的出发点和基准点。 2 2 1 钢纤维沥青混凝土的效果 由于沥青混凝土必须在高温下进行拌和，要求加强纤维材料必须耐高温。 钢纤维作为沥青混凝土加强筋，具有高强度，耐高温、高弯曲弹性、高取向性 等路用性能，它能改善沥青砼的热稳定性和低温抗裂性，对沥青路面的裂缝、 松散有良好的抑制作用。但是由于钢纤维与沥青结合料的粘附性较差，握裹力 较低，从而形成与沥青混合料的“相容性”较差再加上钢纤维与水作用的锈蚀， 因此，其水稳性及抗剥落性相对有所下降。另外由于金属的磨损系数小于混凝 土，使得钢纤维混凝土路面产生后期效应“凸失现象”，对车轮的磨损非常 不利，又因钢纤维成本太高，因此很少采用钢纤维沥青混凝土加强筋。 2 2 2 软纤维沥青混凝土加强 相对来说，软纤维可以较好地解决其本身的锈蚀及“凸失现象”，甚至是“相 容性”不好的问题。但是，它要作为沥青混凝土的加强材料，主要应解决软纤 维的高温性能及软纤维的断裂延伸率这两个问题。 山衷大学i 程碗士学位论文 2 3 各种纤维介绍 2 3 1 聚和物纤维( 主要关注聚丙烯腈与聚酯纤维，是目前最通用的纤维品种) 聚丙烯腈纤维是指由聚丙烯腈或丙烯腈含量占8 5 以上和其他第二、第三 单体共聚物纺制而成的纤维。我国的聚丙烯腈纤维的商品名称为腈纶。早在2 0 世纪3 0 年代初期，美国d u p o n t 公司和德国h o e c h s t 化学公司就已着手聚丙烯 腈的生产试验，并于1 9 4 2 年同时取得以二甲基甲酰胺( d 盯) 为聚丙烯腈溶剂 的专利。随后又发现其他有机与无机溶剂，如二甲基乙酰胺( d m a ) ，二甲基亚 砜( d i s o ) ，硫氰酸钠( n a c n s ) 的浓溶液，氯化锌溶液和硝酸等。随后又化了 十余年时间，直至1 9 5 0 年，聚丙烯腈纤维才正式生产。目前其产量在合成纤维 中仅次于聚酯纤维和聚酰胺纤维。 聚酯纤维是由从石油中提炼出的原材料加入特种添加材料采用“旋转一熔 化”法生产出来的。本文选用的博尼维就是百分之百的聚酯纤维，是美国k a p e j 0 公司的专利产品，由美国杜邦公司生产。博尼维在一4 0 + 2 5 0 c 的温度内不脆化， 不变形。每根纤维都是独立的，与同是石油产品的沥青有极强的吸附性，且不 缠绕，当每吨混合料掺入5 磅( 2 2 5 公斤) 时将有1 8 亿以上根纤维以三维立 体方式对混合料进行加强，提供巨大的内聚力，提高公路质量和寿命。 以上两种纤维一些代表性的厂家和品种，在附件一中有说明。 2 3 2 矿物纤维 矿物纤维是以特选的矿物岩为原料，经过特定的预处理后，在1 6 0 0 。c 高温 熔融提炼抽丝制成。与其他纤维相比，它有不可比拟的材料性能优势。 2 3 3 木质素纤维 木质素纤维( m e t h y lc e l l u l o s e 。简称m c ) 是天然木材经过化学处理得到 的有机纤维。由于处理温度高达2 6 0 。c 以上，在通常条件下是化学上非常稳定的 物质，不为一般的溶剂酸，碱腐蚀。利用天然原料生产的木质素纤维是环保型的。 木质纤维素采用高新技术生产加工，捣磨拉丝精制而成。它是呈多微孔长纤维 状、无毒无味、比表面积大，植物化学健丰富、吸湿性好，具有良好的韧性， 抗压强力强，不溶于水，具有优化建筑材料和改善施工合宜性的特点。各种产 1 4 山东大学i 程碗士学位论支 品的长度、密度、纯度、色度不同以适用多种用途。国外广泛用于水泥、石膏、 石灰、墙衬等化学建材中作为粉状增强纤维添加剂使用，是矿质纤维、石棉纤 维和其它纤维素衍生物的环保型替代品。 木质素纤维进入中国是在9 0 年代中期目前，在我国的多个公路项目中得到 应用，比如北京三环、四环、机场路、京哈、京沪、沈大、宁通、宁合、同三、 长余等高速公路。取得良好的成绩和社会效益及经济效益。 2 3 3 1 德国j r s 公司的木质素纤维( 絮状和颗粒状) 最早来到中国的纤维是德国j r s 公司生产的木质素纤维。其中a r b o c e l z z 8 1 是一种经过技术处理的絮状的木质素纤维。其主要质量指标如下表l ： 木质素含量7 5 8 0 p h 值 7 5 l 体积密度2 5 9 l 3 0 9 l 最大长度 5 0 0 0 u m 平均长度1 1 0 0 姗 平均厚度( 直径) 4 5 u m 根据德国规范d i n 5 3 7 3 4 进行筛分的残余量为0 3 m m 不大于6 0 ，0 0 3 2 叫 不大于9 9 。据介绍纤维的密度为1 5 8 9 c m 3 。纤维可短时间耐高温2 5 0 ，通 常用量为混合料重量的0 3 1 5 。使用时厂家事先将纤维打成l k g 一个的 塑料小包，工地上利用皮带运输机将小包送到拌和楼上，再由人工投入拌和锅 中，塑料包遇热化开。纤维被集料打散。 德国j r s 公司还生产v i a t o p 6 6 或v i a t o p 8 0 的颗粒纤维。它由木质素纤维 与沥青按2 ：l 或4 ：1 重量比拌制成。平均颗粒长度2 m m 8 n 。平均颗粒厚度 4 1 m ，单位体积重量5 0 0 9 l 。所采用的沥青是德国道路沥青。2 5 针入度3 5 5 0 ；软化点5 4 5 9 。据介绍，这种颗粒纤维最大的好处是不怕受潮，机械 化添加容易实现。 t o p c e l 颗粒状纤维是由1 0 0 纯t e c h n o c e l 纤维经特殊加工， 生产而成的新一代颗粒状纤维产品，专为生产高质量的沥青混合料及方便自动 投料而开发研制的。是不含任何沥青的颗粒状纯纤维产品只需添加混合料总重 1 5 m 东大学i 程硕士学位论文 量的0 3 ，就能获得很好的效果，使用经济。t o p c e l 颗粒状纤维，由于重力作 用能在生产：过程中容易的且充分的在混合料中均匀分散，保证了混合料的质 量，克服了第一代絮状产品漂浮在混合料上部，不易均匀分散的缺点；稳定的 产品质量和极好的流动性，有助于自动投料生产；体积小，运输和储存经济、 方便、安全，不会出现受热、受潮后的结团现象( 在高温下与含沥青的粒状纤 维相比：在潮湿环境下与絮状纤维相比) ：在特性试验中t o p c e l 和t e c h n o c e l 具有同等可互换性。 但在美国及其他大部分国家，以及我国目前生产的木质素纤维基本上都是 松散的絮状纤维，同时已经开发了多种添加絮状纤维的自动化机械设备。对木 质素纤维究竟是使用松散的好，还是使用颗粒状的好，各有不同的说法。j r s 公司声称颗粒的v i a t o p 比絮状的a r b o c e l 更进步，更易在短时间内与沥青混合 料拌和均匀。而絮状纤维有容易受潮，容易结团，不宜长长时间堆放，拌和时 分散不均的缺点。可是欧洲的一些国家以及美国，日本，使用颗粒状的甚少， 主要是担心颗粒在拌和过程中能否充分分散。 2 3 3 2 美国i n t e r f i b e r t m 公司的木质素纤维 其生产的木质素纤维r o a d - c e l 是以废纸为原料，相对密度1 1 。r o a d - c e l 的主要技术指标是：0 1 5 n 充气筛分析通过率7 0 1 0 ；吸油率5 o l 倍： 含水率 5 ；灰分1 8 5 。美国n c a t 以及a a s r r 0 规范为s i a 配合比设计对 木质素纤维规定的质量标准如下表2 ： 试验 美国n c a t 标准 筛分： 方法a ：冲气筛分析，纤维长 6 衄 度 7 0 1 0 通过0 1 5 r a m 筛 聚酯纤维 木质素纤维。针对这一结果，我们将进行 混合料性能试验，进一步分析和验证纤维在其中作用的对应关系。 三、各种纤维对沥青混合料性能的影响分析评价 3 1评价方案概述 沥青路面是高速公路主要的路面结构形式，其破坏形式主要表现为车辙、开 裂和疲劳破坏，水损害和反射裂缝，这已逐渐引起人们的注意，并形成世界性范 围的问题。纤维在沥青混凝土a c 和s m a 中究竟起什么作用，其各类纤维效果情况 如何，本文针对这一问题，对上述选用的聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、木质素纤维 和矿物纤维、结合a i 一7 0 重交沥青s h s b s 改性沥青，选定两种纤维沥青混合料 ( a c 一1 6 i 和s m a 一1 6 ) ，对比分析其马歇尔试验指标、低温劈裂强度、残留稳定度、 冻融劈裂强度比和高温稳定性( 动稳定度) 等使用性能。 3 1 1 评价设计的原材料与混合料类型 3 1 i 1 沥青 普通沥青选用a 一7 0 。改性沥青采用的原沥青为中海石油a i 一7 0 ，改性剂为深 圳路安特s b s ，掺量为3 8 。 3 1 i 2 集料 集料采用玄武岩碎石，填料采用水泥厂生产的矿粉。 3 1 i 3 纤维 由东大学t 程硕士学位论交 纤维采用德兰尼特聚丙烯腈纤维和j r s 公司产的木质素纤维，美国产搏尼 维聚酯纤维和加拿大产的福贝矿物纤维，共四种纤维。 3 1 1 4 沥青混合料 本评价沥青混合料选用a c - 1 6 i ，s m a - 1 6 两种混合料的级配中值。 3 2 纤维对沥青混合料马歇尔试验指标的影响 3 2 1 纤维用量对马歇尔试验指标的影响 用聚丙烯腈纤维为代表和普通沥青进行纤维用量的影响分析，矿料级配均 采用规范中的a c 一1 6 i 的级配中值，纤维剂量为o ，0 2 5 ，0 3 0 ，0 3 5 ， 0 5 0 ( 此剂量为纤维占整个纤维沥青混凝土的重量百分比) 。试验室内首先按 马歇尔法确定不同纤维剂量下的最佳油石比，再在此最佳油石比下测试各马歇 尔试验指标，如表6 所示。 由表1 可见，对于纤维沥青混凝土而言，存在最佳纤维用量，本研究条件 下聚丙烯腈纤维的最佳纤维用量为0 3 ，相应的沥青用量为4 7 。 表6 聚丙烯腈纤维用量对a c 一1 6 i 马歇尔试验指标的影响 纤维剂沥青用 稳定度流值 密度w v av m a v f a 量( )量( ) ( k n )( 衄) ( g c m 3 ) ( )( )( )( ) o o o4 6 09 9 63 6 82 4 5 43 5 4 81 0 5 0 81 4 0 5 67 4 7 6 0 0 2 04 6 51 0 8 93 7 52 4 4 83 8 1 71 0 6 2 51 4 4 4 27 3 5 7 0 0 3 04 7 0l l2 23 8 32 4 4 43 8 0 51 0 6 8 31 4 4 8 87 3 7 3 5 o 3 54 7 61 0 9 83 8 42 4 3 54 1 3 41 0 9 8 61 5 1 2 07 2 6 5 9 0 5 04 7 51 0 8 53 9 82 4 2 74 3 4 51 0 9 0 21 5 2 4 77 1 5 0 3 3 2 2 纤维类型对马歇尔试验指标的影响 所用沥青普通沥青和改性沥青两种，纤维用量为最佳纤维用量。四种纤维 对a c 一1 6 i 中值级配的马歇尔试验结果的影响如表7 和表8 所示。 由表7 和表8 可知，四种纤维对a c 一1 6 i 中值级配的马歇尔试验指标的作用 效果比较聚合物纤维好于其他两种，聚和物纤维之间以及木质素纤维与矿物纤 维之间没有明显差别。 m 末大学i 程硬士学位论史 表7 普通沥青混凝土a c - 1 6 i 掺加不同纤维的马歇尔试验指标的影响 沥青 稳定 流值 密度 wv af j “v f a 纤维类型用量度 ( 衄) ( g c ( )( k n )3 ) ( )( )( )( ) 无纤维 4 69 9 63 6 82 4 5 43 5 4 81 0 5 0 81 4 0 5 6 7 4 7 6 0 聚丙烯腈 纤维 4 71 1 2 23 8 32 4 4 43 8 0 51 0 6 8 31 4 4 8 87 3 7 3 5 聚酯纤维 4 7 1 1 2 7 3 9 l2 4 4 6 3 7 2 71 0 6 9 l1 4 4 1 8 7 4 1 5 3 木质素纤 维 4 71 0 6 43 7 72 4 3 54 1 6 01 1 4 6 2 1 5 6 2 2 7 3 3 7 4 矿物纤维 4 71 0 8 53 8 52 4 3 74 0 5 61 1 1 5 51 5 2 1 l7 3 3 3 5 表8改性沥青混凝土a c - 1 6 i 掺加不同纤维的马歇尔试验结果 沥青稳定 流值 密度 wv av m av f a 纤维类型用量度 ( 衄) ( g c ( )( 1 讲)m 3 ) ( ) ( ) ( )( ) 无纤维 4 71 3 2 53 7 22 4 5 84 1 3 11 1 2 0 51 5 3 3 67 3 0 6 3 聚丙烯腈 纤维 4 81 4 8 6 3 8 9 2 4 5 0 4 2 2 41 1 2 3 61 5 4 6 07 2 6 7 8 聚酯纤维 4 81 4 8 33 9 62 4 5 14 1 4 71 1 2 4 41 5 3 9 l7 3 0 5 6 木质素纤 4 81 3 7 83 8 32 4 3 94 4 7 51 2 1 8 81 6 6 6 37 3 1 4 4 维 矿物纤维 4 81 3 9 l3 8 82 4 4 04 3 9 41 1 8 3 41 6 2 2 87 2 9 2 3 为了分析验证纤维在s m a 的作用，分别对比了掺加纤维和不掺加纤维的试 验。纤维采用聚丙烯腈纤维，沥青采用普通沥青和改性沥青作对比。试验结果 见表9 。由表9 可知，对于s i a 一1 6 马歇尔试验指标而言，纤维的作用比较明显， 而沥青的改性反而作用不明显。 表9聚丙烯腈纤维对s m a _ 1 6 马歇尔试验结果 混合料 沥青稳定流值密度 w蹦娜掰纡搿 用量度 l 哪 ( g c m 3 类型 ( )( )( )( ) ( )( k n ) ) a h 一7 0 5 8 06 0 34 2 82 4 3 34 2 5 71 4 1 0 81 8 3 6 57 6 8 2 0 断级配 a h 一7 0 5 9 07 4 43 4 72 4 2 83 8 3 21