纤维沥青混合料的低温抗裂性能与技术应用研究

2019-10-01 版权声明 举报文章

摘要:作者通过工程实践,对于北方地区的柔性沥青混凝土路面结构层的设计提出了技术改进问题,同时根据沥青混合料高温稳定性和低温抗裂性的兼顾特点,阐述了纤维沥青混合料的技术意义与应用。

关键词:纤维沥青混合料 低温抗裂 技术性能应用研究

中图分类号:K826.16 文献标识码:A 文章编号:

我国北方(II4)低温地区,修筑的沥青混合料路面结构层的裂缝现象比较典型,裂缝的产生不仅破坏了路面的连续性、整体性和美观,而且会从裂缝中不断渗入水分导致基层甚至路基软化、路面承载力下降直至路面早期破坏,同时伴有车辙和抗滑表层摩擦系数不足等影响行车功能的质量问题,即有施工质量的控制问题也有沥青混合料类型设计理论方面的因素缺陷问题。

1、开裂机理:半刚性基层沥青路面裂缝大致可分为三种:疲劳裂缝、温度裂缝和反射裂缝。

1.1、疲劳裂缝主要是由于行车荷载引起的。在重复荷载作用下,结构层底部产生拉应力,当拉应力大于材料的疲劳抗拉强度时,结构层就会开裂,并逐渐扩展。疲劳开裂的早期现象是路面在纵横向出现间断的裂缝,之后,路面出现龟裂并伴有更多的变形。这种现象目前主要存在于中低级道路中。

1.2、疲劳开裂一般由多种原因引起,如重复的疲劳荷载作用,路面结构设计不合理或厚度不足,排水不畅、施工质量不好等都可能导致出现疲劳开裂。如果路面在开放交通后短短几年内出现开裂,则可能是路面经受到超载的作用。

1.3、温度裂缝是由于温度变化引起的。当外界温度下降,特别是温度骤降,造成路面材料体积收缩,收缩产生的拉应力超过路面材料的抗拉强度时,沥青路面就开裂。在一般情况下,由于沥青混合料有良好的应力松弛性能,温度升降产生的变形不致于产生过高的温度应力,但当气温骤降时,由于沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的增长,超过其极限拉伸应变,便产生开裂。温度收缩开裂主要是横向裂缝。

一般认为低温开裂与路面材料有关,硬的材料比柔的材料更容易出现低温开裂,沥青在环境因素的作用下出现氧化就更容易出现低温开裂。因此,为了减少低温开裂,通常选用软的沥青,减少沥青混合料的空隙率。但是如何保证高温稳定性和低温抗裂性是难以取舍的技术问题。

2、沥青混合料柔性面层的抗裂措施

普通沥青混合料是以沥青作为基体,以集料作为增强相的颗粒状复合材料。其中,集料是主要承载成分起骨架作用;沥青起到粘结集料并传递各种应力的作用。若掺加纤维后,纤维成为分散质,属于增强相的构成。对于低温抗裂性具有顽强的力学性能。矿物纤维在沥青混合料中的应用在国外已经形成技术惯例,在考虑高温稳定性的同时必须兼顾沥青混合料的低温抗裂性,因此;采用纤维沥青混合料的面层设计具有必要的技术意义,国外有研究资料表明;认为矿物纤维还利于沥青混合料的再生利用。

通常认为在传统的密级配沥青混合料中,纤维的作用主要有以下几点:①加筋作用。在混合料中掺加纤维,纤维在混合料中以一种三维的分散相存在,起到加筋作用。②分散作用。纤维可将使用量颇大的沥青矿粉胶团适当分散在集料间,减少铺筑路面时的“油斑”现象。③吸附及吸收沥青作用。充分吸附(表面)及吸收(内部)沥青,从而使沥青用量增加,沥青油膜变厚,提高混合料的耐久性。④稳定作用。纤维使沥青膜处于比较稳定的状态,尤其是在夏天高温季节,沥青受热膨胀,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。⑤增粘作用,提高粘结力。纤维可以增加沥青与矿料的粘附性,提高集料之间的粘结力,降低析漏。

3、 纤维种类的选择及其特性

纤维是一种细长而柔韧性好的增强材料,从来源上可以分为两大类:天然纤维和合成纤维。天然纤维是用天然高聚物经过化学处理和机械加工制得的;合成纤维是以天然或合成的高分子物质作原料,经过化学处理与机械加工制造而成的,在沥青路面工程中应用较多的是木质素纤维、聚合物化学纤维和矿物纤维。

3.1、木质素纤维;木质素纤维(图1)是天然木材经过化学处理得到的有机纤维,其物质结构是由葡萄糖分子组成的长分子链结构。路面工程用木质素纤维通常有两种形态:一种是经过技术处理的絮状纤维;另一种是颗粒状纤维。后者是由木质素纤维与沥青按照2:1或者4:1重量比拌制而成的颗粒。颗粒状纤维最大的好处是不怕受潮,机械化添加容易实现。显然,这是针对絮状木质素纤维容易吸潮、容易结团、不宜长时间堆放并且拌和时分散困难的缺点而研制的。

木质素纤维最突出的性能是吸油率高,这对容易发生沥青析漏的SMA和排水沥青混合料是一个“对症下药”的切入点。木质素纤维又具有相对明显的价格优势,近年来国内SMA路面普遍采用木质素纤维,在诸多工程中得到了广泛应用。本研究中试验用到的木质素纤维为JLS-SMA-1木质素纤维。

图1、木质素纤维图2、聚丙烯腈纶纤维图3、玄武岩矿物纤维

3.2、聚合物化学纤维: 聚合物化学纤维(图2)为合成纤维,它们的研制和应用来源于纺织纤维,是以合成高聚物为原料经化学处理得到的。在聚合物化学纤维中,沥青路面中常用的是聚酯纤维(涤纶)和丙稀酸纤维(腈纶)。其中,在我国应用较多的是来自美国的PETROFLEX和BONIFIBER两种聚酯纤维,及英国的DOLANIT AS聚丙烯腈纶纤维。近年来,国产聚合物化学纤维也开发成功,其聚合物化学纤维的抗拉强度较高,具有较高的断裂延伸率,因此,其在沥青混合料中应该更能发挥加筋、增韧的作用,提高沥青混合料的低温抗裂性能和疲劳耐久性。同时,其吸油性能虽然逊于木质素纤维,但是用以防止沥青混合料的析漏效果还是很好的。但其价格高于木质素纤维,而且其高温稳定性值得注意。试验用到的聚合物化学纤维是DOLANIT AS聚丙烯腈纶纤维。

3.3、矿物纤维

矿物纤维(图3)是利用天然矿物经化学处理和机械加工制得的。目前在沥青路面中应用的矿物纤维主要是石棉纤维和玄武岩矿物纤维。现在许多国家已经禁止使用石棉纤维,我国也正在逐步淘汰。

现在比较看好的方向是玄武岩矿物纤维,经选用合适的玄武岩矿物原料、高温熔融提炼、编纺抽丝及表面处理等多道工序加工而成。由于矿物纤维来自矿物,其应用在沥青混合料中的效果也因此有着性能独具的特点。首先,矿物纤维的强度及弹性模量很高;其次,矿物纤维同沥青之间有很好的表面亲和力,这种亲和力可以从玄武岩集料与沥青的粘附性上得到启示;同时,其优势也在于同矿料之间的联合作用容易实现。此外,矿物纤维的工作温度可以达到700℃,在混合料拌和温度范围内根本不用担心失效问题。

我国矿物纤维的应用还很少,试验中采用的矿物纤维为进口福倍(Fibrox)矿物纤维。

4、不同纤维沥青混合料的性能检验

试验采用相同级配,对掺加纤维的沥青混合料进行了性能验证。纤维的掺量为纤维生产厂家推荐的掺量,油石比为相应纤维掺量下的最佳油石比,试验结果见下表:

小结:(a) 掺加木质素纤维后,油石比较其他两种纤维明显增大,并且,弯拉应变较其他纤维增加较为明显 (b) 掺加聚丙烯腈纶纤维,水损坏能力较其他两种纤维显著提高。(c) 掺加玄武岩矿物纤维后,动稳定度较其他两种纤维有显著提高。

参考文献

[1] 交通部公路科学研究所.公路工程沥青及沥青混合料试验规程[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2] 刘海峰.纤维对改良微表处混合料性能的试验[J].中国市政工程,2009(2):9—10.

[3] 功能原理在纤维封层沥青胶浆配合比中的应用[J].武汉理工大学学报,2012(4).

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