剑麻纤维沥青混凝土试验研究

2011-01-15柳一村欧阳冲

武汉轻工大学学报 2011年4期

柳一村，魏威，欧阳冲

(武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

由于纤维价格便宜和资源丰富，在沥青混凝土改性的研究应用中，纤维是使用最多的外掺添加剂。澳大利亚、加拿大等国家首先在沥青混凝土中添加纤维材料来对混凝土进行改性。目前，在美国、加拿大、澳大利亚、德国等国，许多工程中都采用纤维做外掺剂铺筑沥青路面。自1998年以来，外掺纤维沥青混凝土先后在我国四川、河南、新疆、宁夏、山东、江苏、河北和内蒙等地的路面工程中得到了应用，且使用效果良好［1］。纵观国内外研究发现：外掺添加剂可以用于各种类型的沥青混凝土中且使用方便、施工工艺简单，比较符合我国的国情［2-3］。

混凝土中掺入纤维是近期混凝土改性的方向之一，传统试验掺入的纤维主要有合成纤维和矿物纤维，本实验是首次将剑麻纤维应用到沥青混凝土中，前期实验表明，剑麻纤维属于高强低伸，粗硬型纤维，对路面的车辙、温缩、开裂、坑槽等早期破坏具有一定的抵抗作用，适宜于做为路面材料。因此，研究剑麻纤维沥青混凝土路面使用性能具有重要意义。

1 研究内容与方法

采用新材料新技术，并借鉴国外最新的有关研究成果对其进行调整，有目的地进行一系列试验研究。主要研究内容如下。

1.1 通过不同粗、细集料在该剑麻纤维沥青路面上的应用研究，进行该剑麻纤维沥青路面原材料的优选工作。

1.2 在优选原材料下通过马歇尔试验，确定剑麻纤维的最佳掺量;对掺加该剑麻纤维和不掺加该剑麻纤维的沥青混凝土进行高温稳定性、低温抗裂性及其它路用性能的研究。

2 试验原材料

2.1 沥青

沥青采用鄂州壳牌SBS PG76-22改性沥青，经检测技术其指标已满足国家行业标准，实测质量技术指标如下表1。

表1 沥青实测质量技术指标

2.2 沥青混凝土的矿料级配组成

沥青混凝土所用集料、填料检测合格后，分别进行水洗法筛分得到其2#料、3#料、4#料、5#料和矿粉的颗粒级配组成，采用计算机进行人机对话的方式调整各组成材料的比例，使其合成后的矿料级配符合规范要求的AC-13级配范围。经试验调配得到的材料配比为：2#∶3#∶4#∶5#∶矿粉 =22∶21∶22∶29∶6。

从而获得AC-13沥青混凝土结构层配合比设计合成级配如下表2及图1所示。

表2 集料合成级配范围

图1 合成级配曲线图

2.3 剑麻纤维(SF)

剑麻纤维(SF)是一种绿色、环保、可再生资源，直径为100—200 μm，抗拉强度400—500 MPa。并且耐磨损、耐酸碱、抗腐蚀及耐低温［4］。因而它与人工纤维和矿物纤维相比具有多方面的优点，其中经济性最为突出，如剑麻纤维与玻璃纤维、聚丙烯纤维相比，剑麻纤维的价格只是玻璃纤维20%左右、是丙烯纤维的10%左右。

此外，剑麻纤维表面粗糙，有许多竖向条纹，这有利于增加剑麻纤维与沥青混凝土之间的接触面积，从而提高剑麻纤维在沥青混凝土当中的黏结能力。将剑麻纤维放入1%NaOH溶液中浸泡后，在电镜下形态如图2［5］。

图2 剑麻纤维形态

本次实验剑麻纤维的相关性能指标为：密度1.44 g/cm3，拉伸强度510 MPa，伸长率6.0%

3 剑麻纤维沥青混凝土研究实验

3.1 沥青混凝土马歇尔试验

试验过程按照JTJ052—2000《公路工程沥青及沥青混凝土试验规程》要求进行。

在AC-13目标配合比设计试验过程中，沥青混凝土油石比以0.5%为梯级间隔，拟订五个试验油石比3.5%、4.2%、4.7%、5.2% 和5.7%分别进行沥青混凝土马氏试验，从而获得各种油石比下的沥青混凝土的体积性能指标和应力应变物理指标，沥青混凝土体积性能采用表干法进行测试。理论最大相对密度参考SUPERPAVE技术，采用计算法获得。沥青混凝土马歇尔试验结果如表3。

表3 沥青混凝土马歇尔试验结果

在AC-13马歇尔试验过程中，通过计算以4.6%的最佳油石比进行拌合。参考同类纤维及工程实践，预先设定剑麻纤维的长度为6—8 mm。同时考虑剑麻纤维沥青混凝土的技术性、经济性，试验采用的剑麻纤维掺量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%。

表4 不同纤维掺量下沥青混凝土各项指标

从试验结果可以看出(图3—图7)，剑麻纤维掺量在0.1%时与不掺剑麻纤维的马歇尔试验结果基本一致，但是在掺量为0.2%时，各项指标变化很大，基本上达到了极值，特别是毛体积相对密度和空隙率，当剑麻纤维掺量为0.3%时各项指标都处于下降趋势，从试验的曲线看剑麻纤维的掺量应在0.2%左右。

图3 不同纤维掺量的沥青混合料干密度

图4 不同纤维掺量的沥青混合料流值

图5 不同纤维掺量的沥青混合料空隙率

图6 不同纤维掺量的沥青混合料稳定度

图7 不同纤维掺量的沥青混合料饱和度

3.2 沥青混凝土高温稳定性试验

试验按规定制作标准的板块试件，尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，按前述试验所得的纤维沥青混凝土的马歇尔密度和配比计算试件的总重量，并考虑3%的富裕量。用轮碾成型法制作试件，压实成型后把试件同试模一起在室温养护12 h以上(通常放置一夜)，然后连同试模一起放入车辙仪进行试验。

试验前先对温度控制系统、试验系统以及定时系统进行校准，然后在试验前设定到要求的试验温度(60℃ ±0.5℃)、试验荷载(0.7 MPa轮压)、加载速度(42次/min±10次/min)及试验时间1 h。

(1)试验时首先将高温恒温室升温至设定的温度，然后将试件连模放入恒温室中，保温不少于5 h，也不得多于24 h。当试件的温度升至要求的试验温度，且试件内外温度一致时，把试块放在试验机上进行试验。

(2)将试件连同试模移置于车辙试验机的试验台上，试验轮在试件的中央部位，其行走方向须与试件碾压方向一致。开动车辙变形自动记录仪，然后启动试验机，使试验轮往返行走，时间1 h，或最大变形达到25 mm时为止。试验时，记录仪自动记录变形曲线及试件温度。

车辙试验显示：AC-13未加剑麻纤维以最佳油石比成型车辙试件动稳定度试验结果为：3332次/mm;按剑麻纤维(SF)掺量0.2%，并最佳油石比成型车辙试件，动稳定度试验结果为：4880.35次/mm，满足设计标准＞2400次/mm的要求。

试验结果表明：加入0.2%剑麻纤维后，沥青混凝土的抗车辙性能得到显著改善。这是因为车辙的形成主要是由于试验初期沥青混凝土本身的压密，以及随后沥青混凝土的侧向流动变形。加入纤维与未加纤维对混凝土的初期压密变形影响不大，但是对后期的侧向流动变形有较大的影响［6］。加入纤维后，纤维吸附及稳定沥青，使沥青的黏稠度和黏聚力增大，同时由于纵横交错的纤维加筋作用，使沥青混凝土的整体性、抗剪性及抗车辙能力增强［7］。从动稳定度试验结果可以看出，添加定量的剑麻纤维可显著改善沥青混凝土的高温抗车辙性能。