木質(zhì)素纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用
2005-06-20 00:00
摘 要： 系統(tǒng)分析了木質(zhì)素纖維瀝青膠漿及其瀝青混合料的路用性能，包括木質(zhì)素瀝青膠漿軟化點(diǎn)，錐入度,動(dòng)態(tài)剪切，網(wǎng)藍(lán)析出試驗(yàn)，混和料馬歇爾穩(wěn)定度、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及耐疲勞性能，探討了木質(zhì)素纖維增強(qiáng)瀝青混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理； 并與無(wú)纖維密級(jí)配瀝青混凝土進(jìn)行了對(duì)比、分析。 結(jié)果表明，木質(zhì)素纖維能夠提高瀝青膠漿軟化點(diǎn)、剪切強(qiáng)度，改善溫度穩(wěn)定性； 木質(zhì)素纖維瀝青混合料具有較好的路用性能。
關(guān)鍵詞： 木質(zhì)素纖維； 瀝青混合料； 路用性能； 強(qiáng)度形成機(jī)理
自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，為適應(yīng)現(xiàn)代重載交通對(duì)路面材料性能要求提高的特點(diǎn)，歐美一些國(guó)家就廣泛開(kāi)始了纖維加強(qiáng)瀝青材料的應(yīng)用研究，并形成了一些專(zhuān)利產(chǎn)品。 德國(guó)通過(guò)對(duì)瀝青混合料摻加纖維的研究和觀測(cè)表明，摻加纖維可以改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，疲勞耐久性，并且具有低溫抗裂和防止反射裂縫的性能[1]。 正是由于具有以上優(yōu)良品質(zhì)，纖維也被用在機(jī)場(chǎng)道面、橋面鋪裝、收費(fèi)站等鋪面中。 美國(guó)、加拿大、德國(guó)等國(guó)采用木質(zhì)素纖維混凝土修筑了大量高速公路及其它重交通公路。
1 原材料性能
采用盤(pán)錦AH - 90# 重交通瀝青，其指標(biāo)如表1 所示。 選用吉林產(chǎn)木質(zhì)素纖維； 級(jí)配采用AC- 13 I。集料采用陜西石灰?guī)r，其指標(biāo)示于表2。
2 纖維性能
2、1 纖維吸濕、吸油性
試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。 纖維的吸濕性主要取決于纖維的材質(zhì)。 若纖維的吸濕性很大，外界的水分較容易侵入，會(huì)使纖維瀝青界面產(chǎn)生侵蝕與濕脹，降低混合料的水穩(wěn)性，所以纖維吸濕性不易過(guò)大。 木質(zhì)素纖維和礦物纖維吸濕性體積膨脹明顯，可以捏出水分，纖維顏色加深，說(shuō)明木質(zhì)素纖維和礦物纖維易吸收水份，使用前應(yīng)保管好避免雨淋。
吸油性指標(biāo)反映了纖維對(duì)瀝青的吸附能力[ 2 ]。 作了浸潤(rùn)時(shí)間為5 m in 與60 m in 的吸油率對(duì)比試驗(yàn)。 結(jié)果表明，浸潤(rùn)時(shí)間對(duì)吸油率幾乎沒(méi)有影響，這說(shuō)明除界面的吸附等作用外，纖維對(duì)礦物油的吸收作用不明顯。
2、 2 纖維與瀝青粘附性
粘附性反映了纖維瀝青膠漿的水穩(wěn)定性及纖維約束裂紋擴(kuò)展、約束材料松散的能力。 測(cè)定在沸水中煮30 m in[ 3 ]后纖維上的殘留瀝青百分率，木質(zhì)素為99% ，礦物纖維約93% ，而石灰石只有約85% ，由此看出，纖維具有較強(qiáng)的粘附瀝青能力，增強(qiáng)瀝青混合料的水穩(wěn)定性和抗剝離能力。
2、3 網(wǎng)藍(lán)析出滴漏試驗(yàn)
各種纖維的吸持瀝青效果與環(huán)境溫度有關(guān)。 溫度高時(shí)，瀝青膜薄，粘度降低，纖維材料的吸持效果明顯降低。 若以140 ℃時(shí)纖維對(duì)瀝青的吸持量為100% 計(jì)，160 ℃時(shí)降至75% ，170 ℃時(shí)僅70%。 木質(zhì)素纖維吸持瀝青的能力表現(xiàn)出良好的效果，在140 ℃時(shí)，1 g 木質(zhì)素纖維可以吸持10 g 瀝青，在溫度升高至170 ℃仍可吸持9 g 瀝青，礦物纖維比木質(zhì)素纖維稍差； 在140 ℃時(shí)，礦粉瀝青膠漿全部滴落，表明礦粉雖然表面積也較大，常溫下可以粘附瀝青，但是當(dāng)瀝青處于熱熔流淌狀態(tài)時(shí)，還是不能吸持瀝青，表明纖維因其化學(xué)成分、構(gòu)造和很大的比表面積，對(duì)瀝青的吸附能力是很強(qiáng)的，纖維對(duì)瀝青的吸持作用明顯優(yōu)于礦粉。
2、4 軟化點(diǎn)試驗(yàn)
從表4 看出，纖維瀝青的軟化點(diǎn)比純?yōu)r青普遍有很大的提高，隨著纖維比例的加大，纖維瀝青膠漿的軟化點(diǎn)上升，說(shuō)明纖維使瀝青熱穩(wěn)定性顯著改善，能夠有效減少瀝青的高溫永久變形； 瀝青中添加纖維，針入度減少、軟化點(diǎn)增加，本質(zhì)原因是瀝青的膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化： 纖維在瀝青中都是不溶的，以分散相存在，其作用相當(dāng)于原瀝青中的瀝青質(zhì)，即瀝青逐漸由溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿? 凝膠結(jié)構(gòu)以至凝膠結(jié)構(gòu)，從而使纖維膠漿溫度穩(wěn)定性提高。
2、5 錐入度試驗(yàn)
纖維瀝青膠漿針入度測(cè)定結(jié)果有很大的離散性，如對(duì)同一膠漿測(cè)試四次，結(jié)果分別為47、54、64、72，因含纖維的膠漿是非均質(zhì)的。 采用錐入度[ 5 ]試驗(yàn)，以60 ℃抗剪切強(qiáng)度反映膠漿高溫下的粘稠度，反映纖維“約束”瀝青的能力，這種能力與夏季路面的輪跡、泛油等現(xiàn)象有一定內(nèi)在聯(lián)系。 如表5 所示，纖維比例的增大對(duì)纖維瀝青抗剪強(qiáng)度的提高非常明顯，纖維瀝青中纖維的多少對(duì)纖維瀝青整體的剪切性能起著決定性作用，纖維對(duì)瀝青的加筋作用明顯； 在溫度較高時(shí)如50 ℃、60 ℃，不含纖維的瀝青已經(jīng)用錐入的方法測(cè)不出剪切強(qiáng)度了，而加纖維瀝青依然有一定的剪切強(qiáng)度，這從一個(gè)角度說(shuō)明纖維對(duì)瀝青高溫性能的改善。若以0。 3% 摻量分析。 增加的工程造價(jià)，木質(zhì)素纖維約9% ，礦質(zhì)纖維約12%。 相對(duì)而言，木質(zhì)素纖維具有更高的性價(jià)比。
3 路用性能分析
3、 1 馬歇爾試驗(yàn)
馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。 可以看出，瀝青混合料中加入木質(zhì)素纖維后,混合料的最佳瀝青用量會(huì)增加0.1%～0.3%。 這是由于木質(zhì)素纖維比表面大,會(huì)吸收、吸附部分瀝青，故使得混合料的最佳瀝青用量有所增加； 木質(zhì)素纖維在混合料中起多向“加筋”和增粘作用[ 2 ] ，提高了瀝青混合料的受力性能，因此，木質(zhì)素纖維混和料馬歇爾穩(wěn)定度普遍高于不加木質(zhì)素纖維的混和料。
3、2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)
水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。 木質(zhì)素纖維質(zhì)地疏松，表面粗糙，成多孔性，多側(cè)向分枝； 瀝青中酸性樹(shù)脂組分是一種表面活性物質(zhì)，它在木質(zhì)素纖維表面產(chǎn)生的物理浸潤(rùn)、吸附甚至化學(xué)鍵作用，使瀝青呈單分子狀排列在木質(zhì)素纖維表面，形成結(jié)合力牢固的“結(jié)構(gòu)瀝青”膜，它比薄膜以外的自由瀝青粘性大，耐熱性好； 同時(shí)，由于木質(zhì)素纖維的吸附及吸收作用，混和料瀝青用量增加，能使結(jié)構(gòu)瀝青膜增厚65%～ 113% [ 4 ]； 木質(zhì)素纖維及其周?chē)Y(jié)構(gòu)瀝青一起裹覆于集料表面，使瀝青膜厚度及性質(zhì)都發(fā)生變比。 較厚的瀝青膜減慢了瀝青老化速率，從而可長(zhǎng)時(shí)間地維持其粘附性，降低了水對(duì)瀝青與集料的浸蝕破壞作用，增強(qiáng)了瀝青混和料抵抗水損害的能力，使混合料水穩(wěn)定性增強(qiáng)。
3、3 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)
車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果如表8 所示。 木質(zhì)素纖維在瀝青基體內(nèi)的分布是三維隨機(jī)的。 由于截面纖細(xì)，使得木質(zhì)素纖維摻量不大的瀝青基體內(nèi)木質(zhì)素纖維數(shù)目卻相當(dāng)大，形成縱橫交織的空間網(wǎng)絡(luò)。一方面，裹覆在木質(zhì)素纖維上的“結(jié)構(gòu)瀝青”網(wǎng)，增大了結(jié)構(gòu)瀝青比例，減薄了自由瀝青膜，使木質(zhì)素纖維瀝青膠漿粘性增大，軟化點(diǎn)上升，高溫穩(wěn)定性大幅提高； 另一方面，縱橫交織的木質(zhì)素纖維在混合料中無(wú)定向分布且互相搭接，形成的木質(zhì)素纖維骨架結(jié)構(gòu)網(wǎng)，起到“鏈橋”作用，使混合料具有較高強(qiáng)度與勁度，增強(qiáng)了彈性恢復(fù)，減緩了車(chē)轍的加深速度，極大的改善了混合料的高溫抗車(chē)轍性能。
3、4 低溫抗裂性試驗(yàn)
采用低溫彎曲破壞試驗(yàn)(見(jiàn)表9) 評(píng)價(jià)低溫抗裂性。 0 ℃彎曲應(yīng)變?cè)酱?，反?yīng)出混合料破壞時(shí)所需能量越大，則低溫時(shí)混合料抵抗收縮拉應(yīng)變的能力越強(qiáng)，低溫抗裂性越好[ 3 ]。 首先，木質(zhì)素纖維的加入使混合料的最佳瀝青用量增加，這本身就增加了混合料的延展性，改善了混合料的勁度模量； 其次，與木質(zhì)素纖維良好的物化性能有關(guān)，木質(zhì)素纖維在低溫[ 5 ]并不變硬、變脆，故加筋作用使混合料具有了較好的柔韌性，提高了混和料低溫應(yīng)變值； 第三，互相搭接的木質(zhì)素纖維又提高了混合料的抗拉強(qiáng)度； 因此，混合料的低溫抗裂性得到改善。
3、5 疲勞耐久性試驗(yàn)
疲勞耐久性方面，英國(guó)P．S． Pell 和美國(guó)C． L． Mon ism ith 提出的控制應(yīng)力疲勞壽命分析方法[ 6 ]計(jì)算較準(zhǔn)確，結(jié)果如圖1 所示。 疲勞破壞的過(guò)程，首先是在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位開(kāi)始產(chǎn)生微小裂紋，裂紋起點(diǎn)為疲勞源，對(duì)瀝青混合料，荷載、溫度及內(nèi)部不均勻結(jié)點(diǎn)的存在是其產(chǎn)生疲勞源的主要因素。 當(dāng)材料受荷載作用時(shí)，裂紋尖端發(fā)生應(yīng)力集中，裂紋擴(kuò)展； 當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界值時(shí)，就出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展，材料出現(xiàn)較大的裂紋直至斷裂破壞。 一方面，由于三維隨機(jī)各向木質(zhì)素纖維阻滯了裂紋的擴(kuò)展，吸收和消耗了部分混合料斷裂所需要的能量，減緩了亞臨界擴(kuò)展，增加了彈性恢復(fù)； 另一方面，裂紋發(fā)展時(shí)，木質(zhì)素纖維會(huì)使裂紋轉(zhuǎn)向或岐化，減慢裂縫產(chǎn)生的速率，延長(zhǎng)材料失穩(wěn)擴(kuò)展、斷裂出現(xiàn)的時(shí)間； 因此，木質(zhì)素纖維可以減少裂縫的出現(xiàn)，提高路面的疲勞耐久性。
4 結(jié) 語(yǔ)
(1) 木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青具有增韌、增粘作用，使瀝青膠漿軟化點(diǎn)提高，增強(qiáng)對(duì)集料顆粒的握裹力，增強(qiáng)膠漿抗剪、抗拉能力，提高了混合科耐老化性能和水穩(wěn)定性，增加了瀝青路面抗早期水損害能力。
(2) 木質(zhì)素纖維在混合料中起到加筋作用，增強(qiáng)了彈性恢復(fù)，提高了混合料的高溫抗車(chē)轍性能和抵抗疲勞破壞能力，使路面的高溫穩(wěn)定性能和疲勞耐久性得到改善。 木質(zhì)素纖維在低溫下仍呈柔性，能有效地抵抗溫度應(yīng)力，減少溫縮裂縫的產(chǎn)生，提高路面低溫抗裂性能。 對(duì)不同類(lèi)型瀝青混合料，0。25%～0。4% 木質(zhì)素纖維摻量可有效改善路用性能。
(3) 木質(zhì)素纖維能夠引起瀝青膠體結(jié)構(gòu)的變化，即逐漸由溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿? 凝膠結(jié)構(gòu)以至凝膠結(jié)構(gòu)。錐入度、網(wǎng)藍(lán)析出等試驗(yàn)對(duì)評(píng)價(jià)纖維瀝青膠漿的路用性能是適用的； 且與瀝青混合料的施工性有一定的關(guān)聯(lián)。
參考文獻(xiàn)：
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