玄武岩纤维沥青混合料（精选八篇）
玄武岩纤维沥青混合料 篇1
1 原材料
本次所用集料为镇江茅迪产玄武岩;沥青为江阴宝利SBS改性沥青;纤维为天龙玄武岩纤维 (用量为沥青混合料总量的0.4%) 。
2 沥青混合料配合比设计
2.1 矿料配合比计算
先确定SMA-13的三种级配 (级配A、级配B和级配C) , 4.75mm筛孔通过率分别为26.4%、27.9%、23.6%, 三种级配组成见表3。分别测定三种级配的VCADRC。本次配合比初试油石比按6.0%双面各击实75次制作试件, 测定VCAmix及VMA等指标, 在满足VCAmix小于VCADRC和VMA大于17%的等条件的基础上确定级配, 测试结果见表4。
由表4和表5可知, 级配A和级配C沥青混合料体积指标不满足要求, 因此选取级配B为设计级配。
2.2 马歇尔稳定度试验
按级配B称取矿料, 采用3种油石比, 双面各击实75次成型马歇尔试件, 然后将成型的试件进行马歇尔稳定度试验, 试验结果列于表5。
2.3 设计油石比的确定
根据SMA路面设计要求, 空隙率应控制在3-4.5%。本次油石比为5.9%时空隙率为4.38%且其它指标 (VMA、VCA、稳定度、饱和度等) 均满足设计要求, 根据实际工程应用经验, 选取5.9%为设计油石比。
3 沥青混合料路用性能
(1) 为了检验沥青混合料的抗水损害性能, 分别进行了设计油石比下的沥青混合料的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验, 试验结果见表6和表7。从试验结果来看, 表明玄武纤维SMA13沥青混合料具有良好的抗水损害性能。
(2) 对于沥青混合料的高温稳定性, 本次采用了车辙试验的动稳定度指标, 试验条件:在60±1℃, 0.7±0.05MPa条件下进行车辙试验以检验沥青混合料的高温稳定性, 动稳定度试验结果如表8所示, 从试验结果来看, 车辙动稳定度为6586 (次/mm) 远远大于3000次的要求, 表明玄武纤维沥青混合料具有良好的高温抗车辙性能。
4 结论
聚酯纤维沥青混合料高温性能研究 篇2
文章以采用正交试验得出的最佳级配、SBS改性沥青和两种不同的聚酯纤维构成的.混合料为对象,通过对混合料的不同时间、不同温度的高温稳定性能进行试验研究,得出了聚酯纤维混合料的动稳定度要求及在采用最佳级配和SBS改性沥青的情况下,纤维对混合料的高温性能贡献情况等有关结论.
作 者：廖常川 何立平LIAO Chang-chuan HE Li-ping 作者单位：廖常川,LIAO Chang-chuan(广西高速公路投资有限公司,广西,南宁,530022)
何立平,HE Li-ping(广西交通科学研究院,广西,南宁,530007)
玄武岩纤维沥青混合料 篇3
关键词：玄武岩纤维,裂纹扩展,沥青混凝土,数值模拟
引言
随着我国经济的发展, 公路交通越来越受到重视, 重载、高速汽车的发展要求路面结构具有更好的路用性能。但是我国的沥青路面大多达不到使用年限即发生早期损害出现各种各样的路面病害, 其中裂纹的扩展出现严重的影响路面的使用寿命。因此研究裂纹的形成和扩展规律具有重要的工程意义。
目前裂纹扩展分析的方法主要有两种一种是传统的有限元方法, 但其具有很大的弊端:
(1) 随着裂纹的扩展网格必须重新划分来进一步模拟裂纹的扩展。
(2) 裂纹的扩展只能沿着有限元网格的边界扩展。为了克服这些缺点必须改进算法以改善数值模拟对网格的依赖性[1]。1999年, 美国西北大学Belytschko教授提出了一种全新的独立于网格的裂纹分析数值方法——扩展有限元法 (XFEM) [2,3]并在以后当中不断完善, 目前此方法已经是裂纹扩展分析的主要方法[4,5], xfem方法裂纹可以独立于单元网格, 裂纹的扩展不依赖于网格的划分并且可以穿过单元内部。本文应用断裂力学与扩展有限元法进行数值模拟分析。
1 扩展有限元法基本原理
扩展有限元法是基于单位分解法的思想, 在常规有限元位移模式的基础加上一些能反映不连续特性的函数, 如跳跃函数和裂尖渐近位移场函数。xfem法将位移分为连续位移和加强的用于表示不连续的位移两部分.加强位移采用跳跃函数和渐近裂尖位移函数来表示已反映裂纹的存在。不连续裂纹部分与计算网格无关与网格的密度关系不大, 无需网格重构和加密, 划分单元时也不依赖于裂纹的几何界面, 在因此xfem方法是分析不连续问题的有效方法。
xfem建模分为两个部分:
(1) 忽略结构内部细节情况下对结构进行有限元划分;
(2) 在单元形函数中增加附加函数, 在原节点上增设虚节点自由度, 实现裂纹的扩展。xfem的位移模式为:
其中NI (x) 为域内任意节点X的位移形函数;上述公式等号右侧第一项uI代表节点X处的位移矢量;第二项aI为富集节点自由度矢量, H (x) 为沿裂纹面的不连续跳跃函数;第三项为富集节点自由度矢量, Fa (x) 为裂纹尖端应力渐近函数。式中右侧第一项可以用于域内所有节点, 第二项只对形函数被裂纹内部切开的单元节点有效, 第三项只对形函数被裂纹尖端切开的单元节点有效。
在xfem中, 引入Heaviside函数来描述裂纹尖端的跳跃位移场:
对于各向同性材料:
其中 (r, θ) 为极坐标系, 中心位于裂纹尖端;裂纹尖端切线方向θ=0。
Abaqus对于xfem的实现通过设置虚节点实现网格的独立。
2 三点弯曲梁裂纹扩展的数值模拟
2.1 模型的建立
本文针对掺加玄武岩矿物纤维沥青混合料小梁三点弯曲试验进行数值模拟, 纤维为短切跟棉絮状两种。模型尺寸为400×100×100, 两支点跨距为360mm, 载荷采用标准轴载0.7MPa进行换算获得, 并以集中载荷作用于模型上侧面中央位置。左端约束横向和纵向位移, 而右端只约束纵向位移。本文通过实验获得了沥青混合料的有关材料属性如表1, 材料的泊松比μ=0.3。
模型采用C3D8R六边形单元, 单元边长为2mm, 结构化划法。梁上初始裂纹分单个裂纹和两个裂纹的情况, 但长度均为20mm。
2.2 单个裂纹情况下的结果与讨论
裂纹位于梁底部正中央位置时, 在集中载荷的作用下裂纹扩展的数值仿真结果如图2-2, 此时裂纹尖端的最大主应力值为178MPa。
裂纹位置由中央向左偏离40mm时, 裂纹扩展的数值仿真结果如图2-3, 此时裂纹尖端的最大主应力为66MPa。
裂纹位置由中央向左偏离50mm时, 裂纹扩展的数值仿真结果如图6, 此时裂纹尖端的最大主应力为43MPa。
参考文献
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玄武岩纤维沥青混合料 篇4
近年来, 随着道路交通流量增大, 特别是重型车辆的增多和高压轮胎的使用, 交通流的渠化等因素, 致使沥青混凝土路面出现车辙、裂缝、坑槽等早期病害现象, 严重影响路面使用寿命, 这就对沥青混凝土路面的路用性能提出了更高的要求。常用方法是通过在沥青混合料中添加纤维来提高其路用性能。目前市场上常用的纤维材料主要有木质素纤维、聚酯纤维以及矿物纤维等[1]。但人工纤维和矿物纤维不具备绿色、环保、经济等性能。目前已经开始研究用植物纤维替代人工纤维和矿物纤维掺入沥青混合料中形成绿色、环保、节能等性能优越的环保经济型纤维沥青混合料[2]。
剑麻纤维, 属于可再生资源, 可自然降解, 不会对环境构成污染, 价格也比较低廉。剑麻纤维质地坚韧、富有弹性、拉伸强度大、耐摩擦、耐酸碱、耐海水腐蚀以及耐低温等多种优良性能, 且能量吸收能力好、耐冲击强度高, 无脆性断裂 (对提高汽车的安全性很有利) 。剑麻纤维在250℃的干拌温度下不变质, 不发脆, 可作为添加剂掺入到沥青混凝土中。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粘结能力, 对路面的车辙、温缩、开裂、坑槽等早期破坏具有一定的改善作用[3,4,5]。控制剑麻纤维在沥青混合料中的用量是影响改善效果的主要因素之一。本文提出通过马歇尔试验、谢伦堡沥青析漏试验和高温车辙试验综合确定剑麻纤维用量的新方法, 以多个指标综合确定剑麻纤维最佳用量, 以完善剑麻纤维沥青混合料应用技术。
1 试验设计
试验所用沥青为SBS改性沥青, 骨料选用玄武岩集料, 石灰岩矿粉为填料, 试验所用级配类型为AC-20, 级配见表1。原材料试验结果均满足JTG F40—2004规定的质量技术指标要求。本试验将剑麻纤维在粉碎机上粉碎成短剑麻纤维, 并用质量浓度为1%的Na OH溶液浸泡30 min, 再用清水冲洗干净, 烘干备用。
沥青混合料中剑麻纤维的掺量按0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%进行马歇尔试验, 确定不同掺量下剑麻纤维沥青混合料的最佳油石比。在最佳油石比下进行不同掺量的沥青混合料谢伦堡沥青析漏试验, 以判别是否形成较好的沥青胶浆, 有无多余的自由沥青。最后进行高温车辙试验, 比较不同剑麻纤维掺量的剑麻纤维沥青混合料高温性能。
2 剑麻纤维沥青混合料马歇尔试验
依据JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中沥青混合料马歇尔击实试件制作方法, 双面击实75次成型试件, 脱模后测定试件的体积指标、稳定度、流值。试验结果汇总见表2。最佳油石比以空隙率Va=4%为主要控制指标, 得到不同掺量的剑麻沥青混合料的最佳油石比见表3。
从表3可以看出, 随着剑麻掺量在0.2%~0.4%区间增加时, 剑麻纤维沥青混合料的最佳油石比有逐渐上升的趋势, 但当剑麻掺量大于0.5%后, 剑麻纤维沥青混合的最佳油石比反而有下降的趋势, 说明剑麻纤维掺量不宜大于0.5%, 当大于0.5%时, 剑麻含量较高, 部分剑麻未与沥青形成胶浆就已作为一种填料填充进了集料的空隙当中, 因此使得油石比反而下降了。
%
3 剑麻纤维沥青混合料谢伦堡沥青析漏试验
谢伦堡沥青析漏试验是检测沥青结合料在高温状态下从沥青混合料析出并沥干多余的游离沥青数量的一种试验方法。以沥青析漏损失作为评价指标。根据JTG F40—2004规定, 沥青混合料的沥青质量损失要小于0.2%。
通过马歇尔试验得出结论, 剑麻纤维掺量不宜大于0.5%, 因此分别进行0.2%, 0.3%, 0.4%三个不同掺量的剑麻纤维沥青混合料在最佳油石比下的谢伦堡沥青析漏试验。谢伦堡试验结果见表4。
试验结果表明, 0.3%, 0.4%掺量的剑麻纤维沥青混合料沥青质量损失都能满足要求, 但0.2%掺量剑麻纤维沥青混合料的沥青胶浆的析漏损失大于0.2%, 说明此时沥青胶浆中会含有多余的自由沥青, 因此剑麻纤维的掺量不宜小于0.2%。
4 剑麻纤维沥青混合料的高温稳定性试验
车辙试验是评价沥青混合料高温稳定性能的重要方法, 原理是通过模拟车轮荷载在路面上行驶而形成的车辙过程。将掺量为0.3%, 0.4%的剑麻纤维沥青混合料在最佳油石比下, 依据JTG E20—2011方法制作车辙试验试件, 进行车辙试验, 试验温度为 (60±0.5) ℃, 轮压为 (0.7±0.05) MPa, 试验轮行走频率为 (42±1) 次/min。得到不同掺量的剑麻纤维沥青混合料动稳定度试验结果见表5。试验结果表明0.3%, 0.4%纤维掺量的剑麻纤维沥青混合料动稳定度值都能满足规范的要求, 但0.4%掺量的高温性能较0.3%掺量的要好。因此得到剑麻纤维沥青混合料的最佳掺量为0.4%。
5 结语
通过不同剑麻纤维掺量的沥青混合料所做的马歇尔试验、谢伦堡沥青析漏试验、高温车辙试验, 得到以下结论:
1) 随着剑麻纤维掺量的增加, 沥青混合料最佳油石比有增大的趋势, 但当剑麻纤维掺量大于0.5%时, 部分剑麻纤维未与沥青形成胶浆就已作为一种填料填充进了集料的空隙当中, 使得油石比反而下降了。因此剑麻纤维掺量不宜大于0.5%。
2) 剑麻纤维的掺量也不宜过小, 当剑麻纤维掺量小于0.2%时, 沥青胶浆中会有较多的自由沥青。因此剑麻纤维掺量不宜小于0.2%。
3) 高温车辙试验表明, 0.3%, 0.4%掺量的剑麻纤维沥青混合料高温性能都能满足要求, 但0.4%掺量的性能更好。
4) 采用马歇尔试验、谢伦堡沥青析漏试验及高温车辙试验是确定剑麻纤维沥青混合料剑麻纤维最佳掺量的有效方法。
摘要：剑麻纤维掺量是影响剑麻纤维沥青混合料性能的主要因素之一, 通过马歇尔试验、谢伦堡沥青析漏试验和高温车辙试验综合确定剑麻纤维最佳用量, 试验结果表明0.4%掺量的剑麻纤维沥青混合料性能最佳。
关键词：道路工程,剑麻纤维,沥青混合料,最佳掺量
参考文献
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玄武岩纤维沥青混合料 篇5
1 原材料检测
纤维增强SBS改性沥青混合料所用材料包括:SBS改性沥青、矿质集料、填料和木质素纤维等。这些材料的本身品质直接影响到混合料的性能, 故混合料设计首先要慎重检测这些材料。
1.1 SBS改性沥青性能检测
针对夏季高温湿热地区, 沥青路面经受严峻的气候变化考验。因此, 选用具有较高技术要求的SBS改性沥青。要求使用的沥青材料应为原油精制后的产品, 要求质量均匀、无水。加热至160℃时不产生泡沫。其性能检测如表1。
注:各项指标的试验及计算应按现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTJ052-2000) 规定的方法执行。
1.2 集料性能检测
作为表面层的粗集料必须有一定的强度、硬度和耐磨性, 应为清洁、干燥、无风化、无杂质的2级以上碎石。除特殊指定外, 主集料应为机轧的硬质岩石。本次实验:15～3mm采用玄武岩, 3～0mm采用石灰岩, 矿粉采用石灰岩磨细的矿粉。其性能检测结果如表2～表3。
由表2看出, 集料压碎值、洛杉矶磨耗损失等均符合技术要求, 具有较高的强度和抵抗表面磨损的能力;黏附性等级为5, 说明集料与沥青具有较好的黏附性, 有助于沥青混合料具有良好的性能。
1.3 纤维稳定添加剂
纤维采用聚丙烯腈纤维, 用量为矿料总重的0.1%。其性能检测如表4。
2 配合比设计
根据《公路沥青路面施工技术规范》 (JTG F40-2004) 的要求对原材料进行级配设计, 经计算AC-13级配和级配曲线如表5和图1。
按照《公路沥青路面施工技术规范》 (JTG F40-2004) 要求进行马歇尔试验, 确定沥青用量为6.6%, 试验主要技术指标见表6。
由试验结果可以看到, AC-13纤维增强SBS改性沥青混合料在各项技术指标上均能满足城市道路的沥青混合料的技术要求。尤其是马歇尔稳定度值, 是规范要求的两倍, 显著的提高了沥青混合料的力学性能。
3 AC-13纤维增强SBS改性沥青混合料性能研究
AC-13纤维增强SBS改性沥青混合料不仅要符合一般沥青混合料的性能要求, 以保证其在行车荷载的作用下, 满足安全、舒适、耐久等路用要求;同时又要保证其在行车轮胎摩擦和风吹日晒等自然因素作用下较长时间内保持其使用性能。因此, 不仅需要对混合料物理力学特性进行研究, 还需要对混合料的耐久性等方面进行系统研究。
3.1 高温稳定性
沥青路面的高温稳定性反映沥青混合料抵抗荷载作用下的永久变形的能力。在高温、低速重载和抗剪切能力不足等情况下, 常见的路面损坏形式主要有推移、拥包、搓板、车辙和泛油等, 其中车辙问题是沥青路面高温稳定性良好与否的集中体现。《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50-2006) 规定:对于高速公路、一级公路的表面层和中面层, 进行沥青混凝土配合比设计时, 应进行车辙试验, 以检验沥青混凝土的高温稳定性。本文采用车辙试验来评价该混合料的高温稳定性。
根据沥青混合料车辙试验 (T0719-1993) 的规定, 试验标准温度为60℃, 轮压为0.7MPa, 试件为轮碾成型的300mm×300mm×50mm的板块试件。按照规范规定进行AC-13纤维增强SBS改性沥青混合料的车辙试验, 试验结果见表7。
动稳定度是评价沥青混合料高温性能的重要指标。由表7中数据可以看到, AC-13纤维增强SBS改性沥青混合料的动稳定度为6523次/mm, 远远超过了《公路沥青路面施工技术规范》 (JTG F40-2004) 中对于夏季炎热区SBS改性AC混合料车辙试验动稳定度不小于3000的技术要求, 表明该混合料具有良好的高温稳定性, 满足抗车辙的使用要求。
3.2 水稳定性
水损害是沥青路面的主要病害之一。所谓水损害是指沥青路面在水或冻融循环的作用下, 由于汽车车轮动态荷载的作用, 进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用, 水分逐渐渗入沥青与集料的界面上, 使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力, 沥青膜从石料表面剥离, 沥青混合料掉粒、松散, 继而形成沥青路面的坑槽、推挤变形等损坏现象。检验路面材料水稳定性的试验方法有浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验、浸水劈裂试验、真空饱水劈裂试验、冻融劈裂试验、浸水抗压试验、浸水车辙试验等。
本文采用沥青混合料浸水马歇尔稳定度试验 (T0709-2000) 和沥青混合料冻融劈裂试验 ( T 0729-2000) 这2种方法评价纤维增强SBS改性沥青混合料的水稳定性, 试验结果见表8。
纤维增强SBS改性沥青AC-13混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验的结果也表明, 残留稳定度和残留强度分别为88.6%和88.3%, 均满足不小于80%的技术要求, 表明该混合料具有良好的水稳定性。
3.3 抗裂性
由于水泥路面上加铺沥青混合料的裂缝属于疲劳裂缝, 本文采用重复弯曲加载的方式确定沥青混合料的疲劳寿命, 从而研究增强纤维对沥青混合料疲劳抗裂性能的影响。
参照AASHTO T321-03实验方法, 在UTM (万能实验机) 进行三点加载疲劳试验。试验采用600μm应变控制进行加载, 加载方式为正弦波方式, 荷载频率f=100Hz。实验温度为15℃。控制应变的疲劳实验, 一般不会出现明显的断裂破坏。疲劳寿命定为:试件在初始劲度下降到50%所对应的荷载循环次数。实验结果如表9。
在添加纤维的混合料中, 纤维与纤维间搭接成三维立体结构, 起到加筋的作用, 能有效的减少沥青混合料的开裂。通过实验对比可知:添加纤维后SBS沥青混合料的疲劳寿命由于纤维的加劲作用而得到显著的提高。
4 结语
本文对纤维增强SBS改性沥青AC-13沥青混合料从材料选取方法及标准、级配设计要求、物理及力学控制指标及测试方法、结合料及添加剂最佳用量等方面进行了研究, 试验结果表明, 纤维增强SBS改性沥青AC-13沥青混合料具有比普通沥青路面更好的路用性能。
(1) 在体现高温性能的车辙实验上, 纤维增强SBS改性沥青AC-13沥青混合料的动稳定次数高达6523次/mm, 远远的超出规定的3000次/mm。
(2) 在体现水稳性能的冻融劈裂实验上, 纤维增强SBS改性沥青AC-13沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比高达88.3%。
(3) 通过对比有无添加纤维的SBS改性沥青疲劳实验的研究, 表明纤维能增强沥青混合料的疲劳性能大约20%左右。
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玄武岩纤维沥青混合料 篇6
本文采用旋转压实仪成型试件, 根据旋转压实曲线计算压实特性参数, 分析纤维种类、纤维掺量和RAP掺配率对纤维加强再生混合料压实特性的影响。
1 原材料及混合料
废旧沥青路面材料 ( RAP) 由某高速公路沥青路面铣刨得到, 经燃烧法测得RAP中的油石比为4. 6% , 按照《公路工程集料试验规程》 ( JTG E42—2005) 中的相关方法测试RAP中的集料颗粒组成, 结果如表1。试验用新沥青为90 号基质沥青, 按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 ( JTG E20—2011) 测试其技术指标, 结果如表2。粗集料为玄武岩, 按《公路工程集料试验规程》 ( JTG E42—2005) 中的相关方法测试技术指标, 结果如表4。选用目前广泛应用的絮状木质素纤维、玄武岩矿物纤维和聚酯纤维, 技术指标如表4, 其技术结果由生产厂家提供。
分别设计了RAP掺配率为20% 、30% 和40%的AC—20 型再生混合料。采用单粒径集料回配的方法, 以确保不同RAP掺配率的混合料具有一致的通过率, 结果如表5 所示。
2 沥青混合料的压实特性分析参数
采用旋转压实仪 ( SGC) 成型纤维加强再生混合料试件, 初始旋转压实次数Nini= 8 次, 设计旋转压实次数Ndes= 100 次, 最大旋转压实次数Nmax= 160次。试件成型后, 测试试件的毛体积密度和最大理论密度, 结合不同旋转压实次数下的试件高度, 计算不同旋转压实次数下的毛体积密度, 将毛体积密度除以最大理论密度得到密实度, 最终获取纤维加强再生混合料的密实度曲线。SGC试件的密实曲线在一定程度上可反应混合料在碾压阶段的压实特性, 可用压实能量指数 ( CEI) 、密实能量指数 ( TDI) 、密实曲线的两个斜率K1、K2表征［13］。
1) 压实能量指数 ( CEI) 。CEI是指将混合料碾压至一定密实度时摊铺机和压路机所做的功, 一般指从初始旋转次数Nini到混合料具有92% 密实度的有效压实功, 可采用密实曲线的面积来计算, 如图1所示。CEI越大, 说明混合料越不易被压实。
2) 密实能量指数 ( TDI) 。TDI是指在开放交通后, 混合料被行车荷载压密到极限密实度时所需做的功。通常用密实度为92% ~ 98% 的密实曲线的面积来表征。TDI越大, 表明混合料在开放交通后抵抗变形的能力越强。
3) Nini-Ndes在半对数坐标中的密实度斜率K1。为半对数坐标中Nini至Ndes范围内密实曲线的平均斜率, 反映混合料的压实速率, 采用式 ( 1) 计算。K1越大, 说明混合料被碾压至一定密实时所需的碾压次数越小, 碾压速率就越大。
式 ( 1) 中: γNdes, γNini分别为旋转压实次数为Ndes和Nini时的混合料密实度。
4) Ndes-Nmax在直角坐标中的密实度斜率K2。为直角坐标系中压实曲线Ndes至Nmax范围内密实曲线的平均斜率, 反映混合料在开放交通后抵抗变形的能力。K2越小, 表明抗变形能力就越强。
3 结果及讨论
3. 1 纤维种类的影响
分别采用絮状木质素纤维、玄武岩矿物纤维和聚酯纤维成型RAP掺配率为30% 的纤维加强再生沥青混合料, 木质素纤维掺量为沥青混合料的0. 3% , 矿物纤维和聚酯纤维掺量为沥青混合料质量的0. 4% , 以考察纤维种类对压实特性的影响。4 种混合料的SGC密实度曲线如表6 所示。
注: 表中 γ 为密实度, % ; N为旋转压实次数。
依据密实度曲线计算压实特性参数, 4 种混合料的CEI和K1如图1、图2 所示。由图可知: 3 种FR-RAM的CEI和K1的均值为48. 5 和6. 751, 而不掺纤维的再生混合料的CEI和K1为36. 4 和7. 036, 说明加入纤维会导致再生混合料的压实变得困难, 且压实速率降低; 在三种纤维中, 木质素纤维的CEI和K1最大, 而矿物纤维的CEI和K1最小, 聚酯纤维居中, 且数值很接近, 说明三种纤维对压实功和压实速率的影响效果相当。
不同混合料的TDI和K2值如图3、图4 所示, 由图可知: 3 种FR-RAM的TDI和K2的均值为720. 7和0. 024, 而不掺纤维的再生混合料的TDI和K2值为570. 8 和0. 025, 说明加入纤维会提高再生混合料在开放交通后混合料抵抗变形的能力; 在3 种纤维中, 矿物纤维的TDI最大而K2最小, 说明矿物纤维混合料抵抗永久变形的能力最强, 其次为聚酯纤维, 木质素纤维最差。
3. 2 纤维掺量的影响
选用矿物纤维成型RAP掺配率为30% 的试件, 获取不同矿物纤维掺量下的密实度曲线。依据密实度曲线计算压实特性参数, 不同矿物纤维掺量的FR-RAM的压实特性参数如表7 所示。由结果可知, 当矿物纤维掺量为沥青混合料质量的0. 2% 时, FR-RAM的压实特性参数与不掺矿物纤维时的基本一致, 此时由于掺量很小纤维在沥青胶浆中呈分散状态, 未形成搭接状态, 对混合料的压实特性几乎无影响; 随着掺量的增大, 纤维发生相互搭接, 在一定程度上形成了三维网络结构, 对混合料压实特性的影响逐渐显现。当矿物纤维掺量为0. 4% 时, 继续增大矿物纤维含量, CEI迅速增大而TDI缓慢增大, 说明当剂量超过0. 4% 时, 增加矿物纤维用量会导致可压实性变差, 而对抵抗永久变形能力的提高则有限, 因此矿物纤维的用量不宜过大。
3. 3 RAP掺配率的影响
选用矿物纤维 ( 剂量为0. 4% ) 成型RAP掺配率为20% 、30% 和40% 的试件, 并获取密实度曲线。依据密实度曲线计算压实特性参数, 不同矿物纤维掺量的FR-RAM的压实特性参数如表8 所示。由结果可知, K1和CEI随着RAP掺配率的提高而增大, 表明掺配率越高, 混合料的压实速率越低, 碾压至相同的密实度需要更多的压实功; 随着RAP掺配率的提高, TDI逐渐增大、K2逐渐降低, 说明混合料在开放交通后抵抗变形的能力随RAP的增大而提高。这是因为RAP中的沥青经老化后, 黏度变大, 使混合料的和易性降低、抵抗变形能力增加。
4 结语
1) 纤维对再生沥青混合料的压实特性有显著影响, 当掺量相同时, 不同种类纤维对再生混合料的压实功和压实速率的影响效果基本一致。
2) 纤维会显著提高再生混合料在开放交通后抵抗永久变形的能力, 在相同掺量下, 矿物纤维的作用最大, 其次为聚酯纤维, 木质素纤维则最弱。
3) 当剂量较低时, 因纤维未形成搭接状态而对再生混合料的压实特性基本无影响; 当纤维掺量超过0. 4% 时, 随着纤维掺量的增大, 再生混合料的可压实性逐渐变差、抵抗永久变形的能力逐渐提高。
玄武岩纤维沥青混合料 篇7
1 试验设计
试验所用沥青分别选用国产AH-90基质沥青和5%SBS改性沥青, 实测其主要技术指标见表1。骨料选用玄武岩集料, 石灰岩矿粉作为填料, 主要力学性能指标见表2。矿物纤维选用天然优质玄武岩, 经特殊工艺处理后, 在1 600℃高温熔融制成超细纤维, 其主要技术指标见表3。
以最佳油石比4.6% (基质沥青) 、5.0% (改性沥青) 制备骨架-密实型 (SMA-13) 矿物纤维沥青混合料试件, 分别进行高温车辙试验、低温小梁弯曲试验。
2 车辙试验确定纤维最佳掺量
车辙试验是评价沥青混合料抗高温车辙能力的重要方法, 原理是通过模拟车轮荷载在路面上行驶而形成车辙的过程, 因试验操作简便, 试验原理简单, 反映效果良好而得到世界各国的广泛采用。
2.1 试验方法
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E20—2011) 中沥青混合料试件制作方法[7], 制作沥青混合料车辙试验试件, 矿物纤维掺量分别为0%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9% (混合料质量比) , 试件规格为300 mm×300 mm×50 mm。试验温度为 (60±0.5) ℃, 轮压 (0.7±0.05) MPa, 试验轮行走频率为 (42±1) 次/min。
2.2 车辙试验数据与分析
2.2.1 测定动稳定度 (DS) 结果及分析
将试验计算得到的动稳定度 (DS) 结果汇总于表4, 并依照不同沥青进行绘图进行对比, 见图1。
通过表4和图1可知, 沥青混合料的动稳定度随着矿物纤维掺量的增加均呈现增大的趋势。从图1中对比两种不同沥青, 经过计算, 掺加0.5% (质量比) 矿物纤维沥青混合料的动稳定度比不掺纤维的动稳定度数值有较大幅度的提高, 其中基质沥青提高了87.6%, 改性沥青提高了18.7%。同时比对其他掺量的矿物纤维混合料的动稳定度, 也均有较大幅度的增加, 但是和掺加0.5% (质量比) 的矿物纤维混合料相比增幅不明显, 尤其是基质沥青的这个特点更为突出。考虑到经济因素等原因[8], 以动稳定度值确定的矿物纤维最佳掺量为0.5%。
2.2.2 测定60 min形变量结果及分析
通过车辙试验将60 min的形变量计算结果汇总于表5, 并依照不同沥青混合料试验计算结果绘图进行比较, 见图2。
结合表5和图2分析可知, 随着矿物纤维掺量的增加, 沥青混合料的形变量是逐渐减小的, 这也有利地证明矿物纤维的加入能有效的降低永久变形, 减小高温车辙的产生。对比图2中不同沥青的矩形条图, 可以得出0.5%含量的矿物纤维的车辙变形减幅量是最大的。经过计算可得出, 掺加0.5%矿物纤维的沥青混合料比不掺纤维的沥青混合料车辙变形数值相比, 基质沥青的降低幅度为16.7%, 改性沥青的降低幅度为42.8%。从图中可以发现随着纤维掺量不断增加, 试件车辙永久变形值随之继续减小, 但减小的幅度变小, 考虑到掺加矿物纤维的经济因素并且综合文献资料, 以永久变形量指标确定矿物纤维的最佳掺量为0.5%。
3 低温弯曲试验确定纤维最佳掺量
3.1 试验方法
采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E20—2011) 中沥青混合料试件的制作方法 (轮碾法) , 按照0%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9% (混合料质量比) 的矿物纤维掺加量, 分别制作沥青混合料车辙试验试件, 试件制备规格为300 mm×300 mm×50 mm。经成型脱模后, 将车辙试件切割成6个尺寸为30 mm×35 mm×250 mm的棱柱体小梁试件, 以试验条件:试验温度为-10℃、加载速率为50 mm/min, 在材料试验机上进行小梁试验。
3.2 数据与分析
3.2.1 弯拉应变、弯拉强度和劲度模量数据
根据试验测定的弯拉应变、弯拉强度和劲度模量数据结果带入公式求平均值, 相应图见图3、图4、图5。将试验测定的主要数据列于表6。
3.2.2 弯拉应变、弯拉强度和劲度模量数据结果分析
分析以上图表可知, 随着矿物纤维的增加, 沥青混合料的各项性能指标值都在不断增加。而掺加0.5%质量比的矿物纤维沥青混合料在三项指标中的增加幅度是最大的。经与不掺矿物纤维的混合料相比, 计算分析得出:一是基质沥青混合料的最大弯拉应变、抗弯拉强度和劲度模量分别提高了17.2%、44.0%和24.2%;二是改性沥青混合料的最大弯拉应变、抗弯拉强度和劲度模量分别提高了29.4%、44.6%和8.8%。从图中也可分析出随着矿物纤维掺量的继续增加, 以上所列的三项指标数值也会随之增加, 但是从数据上看增加的幅度与掺量0.5%的沥青混合料相比相对较小, 考虑到经济及文献资料等因素, 确定小梁弯曲试验所得矿物纤维最佳掺量为0.5%。
3.3 与高温车辙试验的计算结果比对分析
由高温车辙试验的计算结果可以得到, 矿物纤维沥青混合料的动稳定度随着纤维掺量的增加而增大, 形变量则随之逐渐减小, 当掺量为0.5%质量比时, 动稳定度的增幅值最大, 车辙变形的减幅量最大。而由低温弯曲试验的计算结果可知, 随着矿物纤维的增加, 沥青混合料的弯拉应变、弯拉强度和劲度模量等性能指标值都在不断增加, 当掺加量为0.5%质量比时, 三项指标的增幅值最大, 这一规律与高温车辙试验所计算的结果极为相似, 且确定矿物纤维最佳掺量的结果也相同。因此, 高温车辙试验和低温小梁弯曲试验得出的矿物纤维最佳掺量具有极佳的相关性。
4 结论
综上所述, 通过不同矿物纤维掺量的骨架-密实型沥青混合料所做的高温车辙试验和低温小梁弯曲试验, 采用动稳定度和60 min形变量指标以及低温小梁弯拉应变指标, 得到以下结果:
(1) 掺加适量的纤维能显著提高沥青混合料的高温稳定性能。
(2) 矿物纤维沥青混合料的动稳定度 (DS) 较基质沥青混合料的动稳定度 (DS) 有显著提高。
(3) 通过高温车辙和低温小梁弯曲试验, 确定了骨架-密实型矿物纤维沥青混合料的最佳矿物纤维掺量为0.5%。
(4) 高温车辙试验和低温小梁弯曲试验得出的矿物纤维最佳掺量具有极佳的相关性, 两项试验是确定骨架-密实型结构沥青混合料纤维最佳掺量的有效方法。
参考文献
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玄武岩纤维沥青混合料 篇8
1 试验材料
1. 1 沥青
本试验沥青采用AH - 90 重交通道路石油沥青, 按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[4] ( JTG E20 - 2011) 的要求进行试验检测, 其主要技术指标如表1, 结果表明试验沥青符合重交通道路沥青的技术要求。
1. 2 纤维材料
试验采用的聚酯纤维, 以 ( PET) 为主要原料, 强度高, 耐高温, 材料纤细, 拌和后在沥青混合料中分散较广泛、均匀, 以三维立体方式对沥青混合料进行加强, 提高路面的整体使用寿命。其主要技术参数如表2。
1. 3 矿料
粗集料采用石灰岩, 细集料为石灰岩石屑, 矿粉采用石灰岩磨制的粉末, 由室内试验得到的矿料物理性质状况如表3, 结果表明试验材料符合规范要求。
1. 4 矿料级配
通过对粗、细集料的物理指标分析, 并结合《公路沥青路面施工技术规范》[5] ( JTG F40—2004) 的要求, 本试验拟采用AC - 16 矿料级配, 如表4。
2 试验方案及结果分析
2. 1 最佳沥青用量的确定
车辙试验和马歇尔试验的沥青混合料最佳沥青用量有所不同, 为使本试验更加符合路面高温稳定性破坏的研究, 拟在马歇尔试验得到沥青混合料最佳油石比的基础上, 通过车辙试验计算分析出其最佳沥青用量值, 再以此进行进一步的纤维沥青混合料高温稳定性研究。试验步骤如下:
( 1) 根据T0702 标准击实法制备直径101. 6 ±0. 2mm, 高63. 5 ± 1. 3mm的标准马歇尔试件, 测定其体积参数, 确定马歇尔试验下的沥青最佳油石比;
( 2) 在最佳油石比的基础上, 上下浮动沥青用量值 ( 范围 ± 0. 3% ) 取8 组;
( 3) 制备8 组素沥青混合料 ( 0% 聚酯纤维掺量) 的板块试件, 规格300mm × 300mm × 50mm。常温下放置12 h, 将试件连同试模一起, 置于已达到试验温度60 ± 1℃的恒温室中, 保温5h后。在不与试验轮接触的试件两侧黏贴2 个电偶温度计控制其试验温度, 控制时间温度稳定在60 ± 0. 5℃;
( 4) 测试车辙试验轮轮压, 要求 ( 0. 7 ± 0. 05) MPa, 将试模放进试验台, 试验轮位于试模中心, 保证其试验方向与试件的碾压方向一致;
( 5) 由下式计算动稳定度 ( 次/mm)
式中: d1、d2分别为对应时间的变形量mm; C1、C2为试验机修正系数和试件系数。
通过马歇尔试验得到沥青混合料的最佳沥青用量为4. 7% 。而车辙试验结果见图1。
由图1 可得, 随沥青用量的增加, 沥青混合料的动稳定度先增大后减小, 峰值在2561. 87 次/mm附近, 对应的沥青用量为4. 59% , 相对马歇尔试验结果减小约0. 1% ; 在动稳定度上升阶段, 沥青用量在4. 49% ~ 4. 59% 段变化最快, 在4. 59% ~ 4. 69% 下降缓慢, 表明沥青混合料在此范围内的沥青用量对路面高温稳定性影响最大, 最佳用量值约4. 6% 。在进行车辙试验测定纤维高温稳定性时, 以4. 6%的沥青用量作为指标, 研究掺入纤维条件下的沥青混合料的动稳定度变化。本试验重点研究试件的纤维掺量、压实功和试件温度在沥青混合料外掺聚酯纤维材料时动稳定度的影响, 以表征纤维对沥青混合料高温稳定性的效用。
2. 2 聚酯纤维掺量的影响
聚酯纤维材料具有抗拉强度高、耐腐蚀等优点, 在沥青混合料中起到加筋和增强沥青混合料的黏结力等作用, 但超量的聚酯纤维会影响混合料的压实效果。本试验拟以0. 2% 、0. 25% 、0. 3% 、0. 35% 和0. 4% 的纤维掺量与素沥青混合料 ( 0% 的纤维掺量) 作对比, 制备车辙试件研究其高温稳定性影响效果。图2 为纤维掺量与动稳定度的关系曲线。
根据图2, 在4. 6% 沥青用量条件下的混合料动稳定度随着聚酯纤维掺量的增加, 经历了一个先上升后下降的凸形曲线, 速率为快速增加—缓慢增加—缓慢下降—快速减小的过程; 纤维用量在0. 18% 时沥青混合料的动稳定度达到最大, 约3812次/mm, 比素沥青混凝土的动稳定度提高了48. 9% , 这个提升主要是因为聚酯纤维在发挥作用; 不同掺量的聚酯纤维材料 ( 0. 1% ~ 0. 3% ) 均在不同程度上提高了材料的高温稳定性能, 在0. 15% ~ 0. 23%的掺量范围内, 动稳定度变化较缓慢, 表明在此区间内, 聚酯纤维的影响在其最大工作效率小范围上下波动。
聚酯纤维材料的整体强度高, 能够在三个方向上对沥青混合料进行强度提高。当纤维掺量逐渐增加时, 粒料间的粘结力得到加强, 混合料的高温稳定性能上升显著; 但随纤维掺量增加至最佳值后, 由于大量纤维掺入混合料中未能得到有效利用, 反而易引起纤维的抱团, 影响沥青混合料的密实度等, 聚酯纤维的工作效率因此下降, 沥青混合料的动稳定度也随之减小。
2. 3 压实功的影响
级配对沥青混合料的高温稳定性有一定影响[5], 压实功的变化对混合料的级配也存在一定作用。规范要求制备车辙试件需要碾压12 个往返, 针对实际试验不一定是最佳碾压次数。为研究聚酯纤维沥青混合料相对素沥青混合料的压实功影响, 在4. 6% 沥青用量、0. 18% 聚酯纤维掺量条件下, 计划设定12、14、15 次往返碾压次数下的轮碾法成型试件进行车辙试验。关于试验结果的动稳定度与轮碾次数的关系如图3。
图3 表明, 本试件制备的最佳压实次数大于12次, 两条曲线均随轮碾次数增加先上升到最大幅值后下降, 在12 ~ 16 次碾压次数范围内存在一个最大值, 0. 18% 聚酯纤维掺量的沥青混合料最佳压实次数为14 次, 动稳定度为4320 次/mm, 素沥青混合料的最佳值为13 次, 动稳定度2899 次/mm。这是由于纤维作为外掺剂与沥青混合料进行搅拌的融合性始终低于素沥青混合料自身的融合程度, 故素沥青混合料整体压实度会比0. 18% 的聚酯纤维沥青混合料大, 当增加碾压次数时, 素沥青混合料首先达到最适合的压实功大小, 表现为动稳定度达到最大值。
聚酯纤维能够增加沥青混合料的粘结度, 纤维细丝分布于混合料各个部位, 整体的加筋效果显著, 其整体强度也得到提升, 故在12 ~ 14 次轮碾范围内动稳定度的变化幅值较大, 约508 次/mm, 比素沥青混合料的变化大50. 2% 。当碾压次数为16 次时, 素沥青混合料的动稳定度小于12 次的动稳定度, 其碾压次数过多破坏了矿料级配, 降低了混合料的强度, 而聚酯纤维混合料在16 次时略大于标准次数下的动稳定度, 仍起到一定作用。
2. 4 试验温度的影响
温度对路面的高温稳定性能有很大影响, 规范采用 ( 60 ± 0. 5) ℃为标准试验温度, 但在夏季, 国内的许多地方地表温度会高于60℃。故结合以上试验结果, 控制试验的温度, 以5℃ 为区间间隔, 控制温度为60 ~ 70℃, 对纤维沥青混合料的高温稳定性能进行研究。图4 为3 个不同温度条件下沥青混合料的动稳定度曲线图。
高温条件下, 路面材料的物理性质会受到影响, 整体强度也会有相应改变。图4 所示, 在标准试验温度60℃时试件的动稳定度最大, 温度继续上升, 动稳定度线性减小, 沥青混合料的高温稳定性受到较大影响。0. 18% 纤维掺量的沥青混合料在65℃、70℃ 的动稳定度分别为3428 次/ mm、2403 次/ mm, 与素沥青混合料的1830 次/mm、998 次/mm相比, 10℃ 温差内聚酯纤维沥青混合料动稳定度下降44% , 小于素沥青混合料的66% 。沥青混合料在高温条件下整体性能下降速率较快, 聚酯纤维的掺入, 相对提高混合料的高温拉伸强度, 剪切破坏效应的影响随之减小。
3 结语
聚酯纤维作为沥青混合料的外掺剂能够有效提高路面的高温稳定性能, 根据试验得到结果如下:
( 1) 在标准车辙试验得到的AC - 16 级配最佳沥青使用量4. 6% 条件下, 掺入聚酯纤维后沥青混合料的动稳定度相对素沥青混合料有明显提高, 在0. 18% 掺量时达到最大约3812 次/ mm, 比素沥青混合料提高了48. 9% ;
( 2) 沥青混合料存在最佳压实功, 0. 18% 最佳掺量的聚酯纤维沥青混合料在试件经14 次往返压实后能够达到最大动稳定度4320 次/mm, 而素沥青混合料在13 次压实后达到其动稳定度最大值2899次/mm;
( 3) 高温会降低沥青混合料的稳定性, 从60℃上升至70℃, 素沥青混合料动稳定度下降了66% , 而聚酯纤维能够提高沥青混合料高温条件下的稳定性能, 平均下降44% , 比前者减少22% 。
参考文献
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