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      纖維種類對瀝青混凝土凍融劈裂強度影響研究
      發布日期:2020-06-10

         為研究凍融循環條件下不同纖維種類對瀝青混凝土強度的影響,采用凍融循環試驗和劈裂試驗方法,對比分析了不同纖維種類及不同摻量的瀝青混凝土劈裂強度變化規律,研究結果表明:在凍融循環作用下,礦物纖維瀝青混凝土的劈裂強度均為最佳值,其次是聚酯纖維瀝青混凝土,木質素纖維瀝青混凝土的劈裂強度最小;在經過9次凍融循環后,當纖維摻量為4%時,礦物纖維、聚酯纖維及木質素纖維瀝青混凝土的劈裂強度均為最大值。其結論可為纖維瀝青混凝土的設計及施工研究提供參考和借鑒。關鍵詞礦物纖維 | 瀝青混凝土 | 凍融循環 | 劈裂強度

       

      01引言

       

      近年來,我國道路工程迅猛發展,瀝青混凝土路面因具有噪音小和施工周期短等優點,在高等級公路中得到了廣泛應用[1]。由于瀝青混凝土本身強度較低,在凍融循環和外力荷載作用下,瀝青路面的水穩定性能極易遭到破壞,嚴重影響道路安全運營。因此,加強對瀝青混凝土路用性能的研究具有重要意義[2]。

       

      目前,國內外研究者從多個方面對纖維瀝青混凝土的路用性能進行了探討,并取得了重要研究結果,而關于不同纖維種類對瀝青混凝土凍融劈裂強度的影響仍需進一步研究[3-4]。例如,黃春水等[5]針對纖維瀝青混凝土彎曲性能試驗展開研究,結果表明纖維含量特征參數能綜合反映纖維體積率和長徑比對瀝青混凝土彎曲性能的影響;文中試驗范圍內,聚酯纖維瀝青混凝土的最佳纖維體積率、長徑比和纖維含量特征參數分別為0.35%、324和1. 13。

       

      常睿等[6]關于聚酯纖維復配RET改性瀝青混合料的技術性能展開研究,結果表明聚酯纖維復配RET能夠顯著改善瀝青混合料的高溫穩定性,有效改善RET改性瀝青混合料的低溫性能,且對瀝青混合料的疲勞性能有較顯著的影響。秦先濤等[7]關于纖維水泥乳化瀝青混凝土的增強效應及微觀機理展開分析,結果表明兩種纖維水泥乳化瀝青混凝土的馬歇爾穩定度增幅明顯;在聚酯纖維摻量為0.3%、水鎂石纖維摻量為0.2%時FRCEAM的間接拉伸強度分別取得最大值,抗壓強度雖最小但對應的峰值應變最大。王增先[8]針對淺析玻璃纖維對溫拌瀝青混合料路用性能的影響展開研究,結果表明改善后的玻璃纖維對各種溫拌瀝青混合料具有較好的適用性,加入玻璃纖維后,瀝青混合料各項路用性能均有不同程度改善和提高?;诖?,本文在通過借鑒和參考已有研究的基礎上,采用凍融循環試驗和劈裂試驗方法,對比研究不同纖維種類對瀝青混凝土凍融劈裂強度的影響規律。

       

      02原材料

       

      瀝青混合料主要由瀝青、粗細集料和纖維等組成,原材料性質在瀝青路面路用性能方面具有較大的作用和影響,本文根據我國相關規范要求選取以下原材料進行瀝青混凝土劈裂強度性能試驗研究:

       

      a.瀝青: 試驗選用70#基質瀝青,該瀝青基本性能測試結果如表1所示。

       

      圖片23.png 

       

      b.粗集料: 試驗采用石灰巖碎石作為粗集料,其具體力學參數如表2所示。

       

      c.細集料: 試驗采用天然機制砂,其具體力學參數如表3所示。

       

      圖片24.png 

       

      d.纖維: 試驗選用礦物纖維、聚酯纖維及木質素纖維3種常用纖維進行對比研究,其主要性能指標如表4 所示。

       

      圖片25.png 

       

      03試驗方案

       

      試件制備

       

      試驗根據《公路工程瀝青及瀝青混凝土試驗規程》(JTGE20-2011)規定要求制備多組標準馬歇爾試件,直徑為101.36mm,高度為63.5mm。

       

      試驗分別采用礦物纖維、聚酯纖維和木質素纖維3種纖維制備3組試驗試件,根據瀝青混合料的油石比規定:添加礦物纖維和聚酯纖維的瀝青混合料油石比取值為5.9%,木質素纖維油石比取值為6.5%,每組試件設計纖維摻量分別為3%、4%及5%。根據季節性凍融地區凍融環境,凍融循環次數模擬分別取0、3、6和9次,每組12個,試件共計36個,以備后續試驗過程作為對比參照。

       

      試驗方法

       

      a.凍融循環試驗方法。

       

      本次實驗采用低溫箱和恒溫水浴箱進行凍融循環試驗[9-11],如圖1 所示。將纖維摻量分別為3%、4%和5% 的3 種不同纖維種類的試驗試件,依次放置在低溫箱中進行冷凍,為確保試件充分冷凍凝結和更為明顯觀測凍融循環結果,冷凍溫度為(-20 ± 2) ℃,冷凍時間為(8±0.25) h; 試件冷凍完成后及時轉移至恒溫水浴箱中進行解凍,為加速試驗進度和試驗結果,設置解凍溫度為(60 ±2) ℃,解凍時間為12h,以確保試件完全解凍;試驗對不同纖維種類和不同纖維摻量的瀝青混凝土試件分別進行0、3、6 和9 次凍融循環,凍融循環完成后依次對試驗試件進行劈裂試驗。

       

      圖片26.png

      圖片27.png 

       

      b.劈裂試驗。

       

      試驗采用單軸壓縮試驗機進行劈裂試驗,如圖2 所示。將經過凍融循環后的瀝青混凝土試件放置在試驗儀器的夾具中,保持試件上下圓弧形壓條居中且平行,充分固定后開啟單軸壓縮試驗機,確認上下壓條和壓頭相互接觸,調整好數據采集系統后開始劈裂試驗,設置荷載≤30N,加載速率為50mm/min對瀝青混凝土試件進行加載直至破壞,記錄好試驗數據。馬歇爾試件的劈裂強度采用公式(1)計算。

       

      圖片28.png 

       

      配合比設計

       

      本次實驗按照《公路瀝青路面施工技術規范》(JTGF40-2004)要求,瀝青混合料選取AC-16型級配,為分析3種纖維種類對瀝青混凝土劈裂強度的影響,試驗設計3種纖維摻量分別為3%、4%及5%的3組馬歇爾試件作為對比參照,并確定礦物纖維、聚酯纖維及木質素纖維最佳瀝青用量分別為4.43%、4.64%和4.5%。瀝青混合料級配組成如表5所示。

       

      03結果與分析

       

      為研究纖維摻量對瀝青混凝土影響程度,以礦物纖維瀝青混凝土為例,針對纖維摻量分別為3%、4%及5%瀝青混凝土的軟化點、旋轉黏度、針入度及延度進行對比分析,得到瀝青混凝土各性能指標變化百分比如圖3所示。

       

      圖片29.png 

       

      根據圖3可知,隨著礦物纖維摻量的增加,瀝青混凝土的軟化點和旋轉黏度均逐漸增大,針入度和延度呈逐漸減小趨勢,其中軟化點和旋轉黏度的增幅大致相似,針入度的增幅最小,延度的增幅最大。由此可知,增加纖維摻量可以有效增強瀝青混凝土的粘結效果和降低延展度,對提高瀝青混凝土的工作性能有較強的輔助作用,但最佳纖維摻量和種類還需進一步驗證。

       

      3%纖維摻量

       

      試驗針對礦物纖維、聚酯纖維及木質素纖維摻量均為3%的瀝青混凝土試件,分別進行0、3、6及9次凍融循環試驗以及劈裂試驗,得到瀝青混凝土劈裂強度如圖4所示。

      圖片30.png 

       

      根據圖4可知,當纖維摻量均為3%時,隨著凍融循環次數的增加,添加礦物纖維、聚酯纖維和木質素纖維的瀝青混凝土破裂強度均呈不斷減小趨勢變化,說明凍融循環的作用對瀝青混凝土的劈裂強度破壞較大。在經過0、3、6及9次凍融循環后,添加礦物纖維的瀝青混凝土劈裂強度均為最大值,分別為1.01、0.76、0.63和0.53MPa;其次為添加聚酯纖維的瀝青混凝土,劈裂強度的整體減小趨勢與礦物纖維較為相似;劈裂強度值最小的為添加木質素纖維的瀝青混凝土,特別是經過6次和9次凍融循環后,瀝青混凝土劈裂強度出現明顯降低。由此可知,當纖維摻量為3%時,在經過多次凍融循環作用后,礦物纖維瀝青混凝土的劈裂強度保持最佳。

       

      4%纖維摻量

       

      試驗針對礦物纖維、聚酯纖維及木質素纖維摻量均為4%的瀝青混凝土試件,分別進行0、3、6及9次凍融循環試驗以及劈裂試驗,得到瀝青混凝土劈裂強度如圖5所示。

       

      圖片31.png 

       

      由圖5可知,當纖維摻量均為4%時,隨著凍融循環次數的增加,添加礦物纖維、聚酯纖維和木質素纖維的瀝青混凝土破裂強度均呈不斷減小趨勢變化,說明凍融循環的作用對瀝青混凝土的劈裂強度破壞較大。在經過0、3、6及9次凍融循環后,添加礦物纖維的瀝青混凝土劈裂強度均為最大值,分別為1.34、1.17、1和0.92MPa;其次為添加聚酯纖維的瀝青混凝土,劈裂強度的整體減小趨勢與礦物纖維較為相似;劈裂強度值最小的為添加木質素纖維的瀝青混凝土,且隨之凍融循環次數的增加,瀝青混凝土劈裂強度降低趨勢越來越大。因此,當纖維摻量為4%時,礦物纖維瀝青混凝土的劈裂強度要遠大于纖維摻量為3%時,瀝青混凝土選擇添加礦物纖維可以有效增大和保持凍融循環作用后的劈裂強度。

       

      5%纖維摻量

       

      試驗針對礦物纖維、聚酯纖維及木質素纖維摻量均為5%的瀝青混凝土試件,分別進行0、3、6及9次凍融循環試驗以及劈裂試驗,得到瀝青混凝土劈裂強度如圖6所示。

       

      圖片32.png 

       

      根據圖6可知,當纖維摻量均為5%時,隨著凍融循環次數的增加,添加礦物纖維、聚酯纖維和木質素纖維的瀝青混凝土破裂強度均呈不斷減小趨勢變化。在經過0、3、6及9次凍融循環后,添加礦物纖維的瀝青混凝土劈裂強度均為最大值,分別為1.19、1.04、0.95和0.75MPa,凍融循環作用下的劈裂強度值比纖維摻量為3%時大,但比纖維摻量為4%時小。聚酯纖維瀝青混凝土的劈裂強度的整體減小趨勢與礦物纖維較為相似;在經過0次和2次凍融循環后的,木質素纖維瀝青混凝土的劈裂強度值相對最大,但經過6次和9次凍融循環后,瀝青混凝土的劈裂強度轉變為最小值。由此可知,當纖維摻量為5%時,在經過多次凍融循環作用后,礦物纖維瀝青混凝土的劈裂強度較為穩定。

       

      04結論

       

      通過凍融循環試驗和劈裂試驗,對比分析了不同纖維種類及不同摻量的瀝青混凝土劈裂強度變化規律,得到以下結論:

       

      a.在凍融循環作用下,礦物纖維、聚酯纖維及木質素纖維瀝青混凝土的劈裂強度均隨著凍融循環次數的增加而不斷減小。

       

      b.在不同纖維摻量情況下,礦物纖維瀝青混凝土的劈裂強度在多次凍融循環作用下均為最佳值,其次是聚酯纖維瀝青混凝土,木質素纖維瀝青混凝土的劈裂強度最小。

       

      c.在經過9次凍融循環后,當纖維摻量為4%時,礦物纖維、聚酯纖維及木質素纖維瀝青混凝土的劈裂強度均為最大值

       

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