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纤维种类对沥青混凝土冻融劈裂强度影响研究
2020年06月02日    阅读量:2153    新闻来源:沥青路面  |  投稿

摘 要

为研究冻融循环条件下不同纤维种类对沥青混凝土强度的影响,采用冻融循环试验和劈裂试验方法,对比分析了不同纤维种类及不同掺量的沥青混凝土劈裂强度变化规律,研究结果表明:在冻融循环作用下,矿物纤维沥青混凝土的劈裂强度均为最佳值,其次是聚酯纤维沥青混凝土,木质素纤维沥青混凝土的劈裂强度最小;在经过9次冻融循环后,当纤维掺量为4%时,矿物纤维、聚酯纤维及木质素纤维沥青混凝土的劈裂强度均为最大值。其结论可为纤维沥青混凝土的设计及施工研究提供参考和借鉴。


关键词

矿物纤维 | 沥青混凝土 | 冻融循环 | 劈裂强度


01

引言


近年来,我国道路工程迅猛发展,沥青混凝土路面因具有噪音小和施工周期短等优点,在高等级公路中得到了广泛应用[1]沥青网sinoasphalt.com。由于沥青混凝土本身强度较低,在冻融循环和外力荷载作用下,沥青路面的水稳定性能极易遭到破坏,严重影响道路安全运营。因此,加强对沥青混凝土路用性能的研究具有重要意义[2]。


目前,国内外研究者从多个方面对纤维沥青混凝土的路用性能进行了探讨,并取得了重要研究结果,而关于不同纤维种类对沥青混凝土冻融劈裂强度的影响仍需进一步研究[3-4]。例如,黄春水等[5]针对纤维沥青混凝土弯曲性能试验展开研究,结果表明纤维含量特征参数能综合反映纤维体积率和长径比对沥青混凝土弯曲性能的影响;文中试验范围内,聚酯纤维沥青混凝土的最佳纤维体积率、长径比和纤维含量特征参数分别为0.35%、324和1. 13。


常睿等[6]关于聚酯纤维复配RET改性沥青混合料的技术性能展开研究,结果表明聚酯纤维复配RET能够显著改善沥青混合料的高温稳定性,有效改善RET改性沥青混合料的低温性能,且对沥青混合料的疲劳性能有较显著的影响。秦先涛等[7]关于纤维水泥乳化沥青混凝土的增强效应及微观机理展开分析,结果表明两种纤维水泥乳化沥青混凝土的马歇尔稳定度增幅明显;在聚酯纤维掺量为0.3%、水镁石纤维掺量为0.2%时FRCEAM的间接拉伸强度分别取得最大值,抗压强度虽最小但对应的峰值应变最大。王增先[8]针对浅析玻璃纤维对温拌沥青混合料路用性能的影响展开研究,结果表明改善后的玻璃纤维对各种温拌沥青混合料具有较好的适用性,加入玻璃纤维后,沥青混合料各项路用性能均有不同程度改善和提高。基于此,本文在通过借鉴和参考已有研究的基础上,采用冻融循环试验和劈裂试验方法,对比研究不同纤维种类对沥青混凝土冻融劈裂强度的影响规律。


02

原材料


沥青混合料主要由沥青、粗细集料和纤维等组成,原材料性质在沥青路面路用性能方面具有较大的作用和影响,本文根据我国相关规范要求选取以下原材料进行沥青混凝土劈裂强度性能试验研究:


a.沥青: 试验选用70#基质沥青,该沥青基本性能测试结果如表1所示。

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b.粗集料: 试验采用石灰岩碎石作为粗集料,其具体力学参数如表2所示。

c.细集料: 试验采用天然机制砂,其具体力学参数如表3所示。

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d.纤维: 试验选用矿物纤维、聚酯纤维及木质素纤维3种常用纤维进行对比研究,其主要性能指标如表4 所示。

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03

试验方案


试件制备


试验根据《公路工程沥青及沥青混凝土试验规程》(JTGE20-2011)规定要求制备多组标准马歇尔试件,直径为101.36mm,高度为63.5mm。


试验分别采用矿物纤维、聚酯纤维和木质素纤维3种纤维制备3组试验试件,根据沥青混合料的油石比规定:添加矿物纤维和聚酯纤维的沥青混合料油石比取值为5.9%,木质素纤维油石比取值为6.5%,每组试件设计纤维掺量分别为3%、4%及5%。根据季节性冻融地区冻融环境,冻融循环次数模拟分别取0、3、6和9次,每组12个,试件共计36个,以备后续试验过程作为对比参照。


试验方法


a.冻融循环试验方法。


本次实验采用低温箱和恒温水浴箱进行冻融循环试验[9-11],如图1 所示。将纤维掺量分别为3%、4%和5% 的3 种不同纤维种类的试验试件,依次放置在低温箱中进行冷冻,为确保试件充分冷冻凝结和更为明显观测冻融循环结果,冷冻温度为(-20 ± 2) ℃,冷冻时间为(8±0.25) h; 试件冷冻完成后及时转移至恒温水浴箱中进行解冻,为加速试验进度和试验结果,设置解冻温度为(60 ±2) ℃,解冻时间为12h,以确保试件完全解冻;试验对不同纤维种类和不同纤维掺量的沥青混凝土试件分别进行0、3、6 和9 次冻融循环,冻融循环完成后依次对试验试件进行劈裂试验。

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b.劈裂试验。


试验采用单轴压缩试验机进行劈裂试验,如图2 所示。将经过冻融循环后的沥青混凝土试件放置在试验仪器的夹具中,保持试件上下圆弧形压条居中且平行,充分固定后开启单轴压缩试验机,确认上下压条和压头相互接触,调整好数据采集系统后开始劈裂试验,设置荷载≤30N,加载速率为50mm/min对沥青混凝土试件进行加载直至破坏,记录好试验数据。马歇尔试件的劈裂强度采用公式(1)计算。

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配合比设计


本次实验按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)要求,沥青混合料选取AC-16型级配,为分析3种纤维种类对沥青混凝土劈裂强度的影响,试验设计3种纤维掺量分别为3%、4%及5%的3组马歇尔试件作为对比参照,并确定矿物纤维、聚酯纤维及木质素纤维最佳沥青用量分别为4.43%、4.64%和4.5%。沥青混合料级配组成如表5所示。


03

结果与分析


为研究纤维掺量对沥青混凝土影响程度,以矿物纤维沥青混凝土为例,针对纤维掺量分别为3%、4%及5%沥青混凝土的软化点、旋转黏度、针入度及延度进行对比分析,得到沥青混凝土各性能指标变化百分比如图3所示。

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根据图3可知,随着矿物纤维掺量的增加,沥青混凝土的软化点和旋转黏度均逐渐增大,针入度和延度呈逐渐减小趋势,其中软化点和旋转黏度的增幅大致相似,针入度的增幅最小,延度的增幅最大。由此可知,增加纤维掺量可以有效增强沥青混凝土的粘结效果和降低延展度,对提高沥青混凝土的工作性能有较强的辅助作用,但最佳纤维掺量和种类还需进一步验证。


3%纤维掺量


试验针对矿物纤维、聚酯纤维及木质素纤维掺量均为3%的沥青混凝土试件,分别进行0、3、6及9次冻融循环试验以及劈裂试验,得到沥青混凝土劈裂强度如图4所示。

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根据图4可知,当纤维掺量均为3%时,随着冻融循环次数的增加,添加矿物纤维、聚酯纤维和木质素纤维的沥青混凝土破裂强度均呈不断减小趋势变化,说明冻融循环的作用对沥青混凝土的劈裂强度破坏较大。在经过0、3、6及9次冻融循环后,添加矿物纤维的沥青混凝土劈裂强度均为最大值,分别为1.01、0.76、0.63和0.53MPa;其次为添加聚酯纤维的沥青混凝土,劈裂强度的整体减小趋势与矿物纤维较为相似;劈裂强度值最小的为添加木质素纤维的沥青混凝土,特别是经过6次和9次冻融循环后,沥青混凝土劈裂强度出现明显降低。由此可知,当纤维掺量为3%时,在经过多次冻融循环作用后,矿物纤维沥青混凝土的劈裂强度保持最佳。


4%纤维掺量


试验针对矿物纤维、聚酯纤维及木质素纤维掺量均为4%的沥青混凝土试件,分别进行0、3、6及9次冻融循环试验以及劈裂试验,得到沥青混凝土劈裂强度如图5所示。

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由图5可知,当纤维掺量均为4%时,随着冻融循环次数的增加,添加矿物纤维、聚酯纤维和木质素纤维的沥青混凝土破裂强度均呈不断减小趋势变化,说明冻融循环的作用对沥青混凝土的劈裂强度破坏较大。在经过0、3、6及9次冻融循环后,添加矿物纤维的沥青混凝土劈裂强度均为最大值,分别为1.34、1.17、1和0.92MPa;其次为添加聚酯纤维的沥青混凝土,劈裂强度的整体减小趋势与矿物纤维较为相似;劈裂强度值最小的为添加木质素纤维的沥青混凝土,且随之冻融循环次数的增加,沥青混凝土劈裂强度降低趋势越来越大。因此,当纤维掺量为4%时,矿物纤维沥青混凝土的劈裂强度要远大于纤维掺量为3%时,沥青混凝土选择添加矿物纤维可以有效增大和保持冻融循环作用后的劈裂强度。


5%纤维掺量


试验针对矿物纤维、聚酯纤维及木质素纤维掺量均为5%的沥青混凝土试件,分别进行0、3、6及9次冻融循环试验以及劈裂试验,得到沥青混凝土劈裂强度如图6所示。

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根据图6可知,当纤维掺量均为5%时,随着冻融循环次数的增加,添加矿物纤维、聚酯纤维和木质素纤维的沥青混凝土破裂强度均呈不断减小趋势变化。在经过0、3、6及9次冻融循环后,添加矿物纤维的沥青混凝土劈裂强度均为最大值,分别为1.19、1.04、0.95和0.75MPa,冻融循环作用下的劈裂强度值比纤维掺量为3%时大,但比纤维掺量为4%时小。聚酯纤维沥青混凝土的劈裂强度的整体减小趋势与矿物纤维较为相似;在经过0次和2次冻融循环后的,木质素纤维沥青混凝土的劈裂强度值相对最大,但经过6次和9次冻融循环后,沥青混凝土的劈裂强度转变为最小值。由此可知,当纤维掺量为5%时,在经过多次冻融循环作用后,矿物纤维沥青混凝土的劈裂强度较为稳定。


04 结论


通过冻融循环试验和劈裂试验,对比分析了不同纤维种类及不同掺量的沥青混凝土劈裂强度变化规律,得到以下结论:


a.在冻融循环作用下,矿物纤维、聚酯纤维及木质素纤维沥青混凝土的劈裂强度均随着冻融循环次数的增加而不断减小。


b.在不同纤维掺量情况下,矿物纤维沥青混凝土的劈裂强度在多次冻融循环作用下均为最佳值,其次是聚酯纤维沥青混凝土,木质素纤维沥青混凝土的劈裂强度最小。


c.在经过9次冻融循环后,当纤维掺量为4%时,矿物纤维、聚酯纤维及木质素纤维沥青混凝土的劈裂强度均为最大值。


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