纖維在瀝青混凝土路面工程中的應用
發布時間：2014-02-25 共1頁
在瀝青混凝土中加入纖維，改善瀝青混凝土的技術性能，有效地提高瀝青混凝土路面的使用年限，在經濟上合理，技術上可行，在公路瀝青路面建設工程中具有廣闊應用前景。本文結合我國纖維瀝青混合料室內試驗的現有成果，對纖維在混凝土中的影響、纖維的技術指標及纖維的作用機理，對纖維瀝青的高溫穩定性、疲勞耐久性等多種路用性能進行分析，并對瀝青混凝土施工工藝進行了探討。
一、纖維對瀝青混合料的影響分析
纖維的加入會影響瀝青混合料性能，對混合料有著加筋與阻裂的作用。研究表明，纖維的類型、長度、細度、纖維在混合料中的質量百分比（纖維劑量）以及纖維的分散特性均對纖維瀝青混合料有著明顯影響。纖維劑量不同，則纖維在混合料中的分散程度、有效比表面積、對混合料的加強效果等方面均不相同。
1．最佳瀝青用量
纖維劑量的增加，將使瀝青混合料的最佳瀝青用量的增，這是因為纖維的加入如同填料一樣，需要更多的瀝青包裹在纖維表面，纖維含量越多，纖維的比表面越，吸附瀝青也越多，最佳瀝青用量也增加。但隨著纖維劑量的增，最佳瀝青用量的增速率減緩，達到一定劑量時最佳瀝青用量增加不多或不增加。由此可知，纖維加入有合適劑量，并非纖維越多越好。
2．密度
纖維的相對密度均較小，一般<1.4，比礦料的密度小的多，體積也較疏松，纖維加入混合料后要占用一定的空間，因此在相同的壓（擊）實力功，瀝青混合料的密度值反而會下降，纖維劑量越，密度下降越多。
3．穩定度和流值
盡管人們認為馬歇爾穩定度和流值作為高溫性能指標不太合適，但現行標準中仍采用它為瀝青混合料高溫性能的一種控制指標。馬歇爾穩定度是馬歇爾標準試件在60℃和加載速率50mm/min條件下，沿試件直徑方向垂直破壞荷載的最值；而流值是該最破壞荷載時試件的垂直變形。前者反映了試件抗破壞性能，而后者一定程度上可以表明試件中自由瀝青的含量和試件的抗變形能力。
隨著纖維劑量的增加，混合料的穩定度有不同程度的增加，但當超過一定劑量后反而又有所下降。纖維劑量較小時，分散較均勻，且有纖維加強作用，穩定度也有所增加；但較的纖維劑量下，其分散性受限制，故馬歇爾穩定度值隨纖維劑量增加到一定值后反而有所降低。
眾所周知，流值同瀝青用量關系密切，且側面反映了試件的抗變形性能，尤其是當荷載達到破壞荷載后，其變形值能穩定在某一固定值時的持久性更能體現瀝青混合料的抗變形特征。流值有隨纖維劑量增而遞增的趨勢，表明纖維用量增多，混合料中的瀝青也較多，同時，纖維加入可有效增強混合料的抗變形能力。實驗中，我們觀察到沒有纖維的混合料均較脆，在最破壞荷載時立即劈裂開或松散；而纖維混合料試件在最破壞荷載時，若不仔細分辨，似乎仍保持完好。且可見到其裂縫面上有部分纖維從中被拔出。
4．孔隙率和礦料間隙率（VMA）
纖維在劑量較小時，拌和都較均勻，而瀝青用量又比普通混合料的有所增加，在高的瀝青用量下，其纖維瀝青砂漿可充分充填到礦料間，使得剩余孔隙率比高劑量的要小；相反在高的劑量下，因拌和均勻性受限，纖維結團成束后占有更空間，使礦料相互接觸受阻，盡管瀝青用量也增，但仍存留下較的空隙。如前面所述，纖維加入要占一定空間，且在纖維的彈性效應作用下，用相同的擊實功能擊實時，其密實過程受到阻礙，故纖維加入后空隙率均有增趨勢，且隨纖維劑量增而增。
礦料間隙率（VMA）包含著瀝青體積百分比和剩余空隙率，前文已述瀝青用量隨纖維計量增而增加，而空隙率也是增的，所以礦料間隙率也是隨纖維劑量的增加而遞增的，盡管VMA增，而VMA變化不，這表明纖維加入后，有效瀝青薄厚都有所增，這有利于混合料的低溫和耐久性能。
總之，纖維加入后，最佳瀝青用量增，密度降低，空隙率與VMA增，馬歇爾穩定度應視纖維加強作用和纖維分散性能而定，流值均有增趨勢。
二、纖維在瀝青混合料中的作用
1．吸附瀝青能力
木質素纖維吸附瀝青能力最好，在170℃以上的高溫下，所吸附的瀝青才會析出，而其他纖維只要在120℃-130℃就會析出。相比較而言，木質素纖維可持瀝青能力最好，其次是石棉纖維和玻璃纖維，而三種有機纖維可持瀝青能力相似。纖維吸附瀝青的能力小主要與纖維的表面粗糙程度、比表面積的小、纖維的組成結構等因素相關。有人認為纖維吸附瀝青較多但沒形成有效的瀝青膜，造成瀝青浪費，成本提高，易使混合料變脆；而另外的人認為纖維可持瀝青能力與混合料的自由瀝青析漏有關，這是有利的。實際上，這應根據混合料類型而定，SMA、OGFC等結構中主要是防止瀝青析漏，則常用木質素纖維和石棉纖維等，而其他普通混合料結構主采用加筋效果好的聚酪纖維和聚丙烯腈纖維較好。
2．改善瀝青力學性能
各種纖維均可以改善高溫性能、低溫抗裂性、耐水性和耐疲勞特性，總體來看，聚脂纖維和聚丙烯腈纖維等有機纖維綜合改善性能較好，石棉纖維改善效果也不錯，但對環境有污染。
3．與混合料的混合與粘結
不論那種纖維均希望與瀝青的粘結要好，只有其粘結強度高，才能保證纖維在受拉時不會被拔出，同時，將混合料內產生的拉應力通過纖維進行傳遞，起到橋接與阻裂作用。因此，纖維的橋接與粘結將是選擇纖維的又一重點。
4．纖維自身的強度和模量
據復合材料理論，纖維自身強度太小，不利于混合料總體強度的提高;若纖維自身強度和模量過，與瀝青混合料的界面強度不匹配，對短纖維而言，其纖維與混合料結合處的剪切應變不協調，反而會出現應力集中現象，使混合料總體強度反而下降。
三、纖維瀝青混合料的增強機理分析
1．橋接阻裂作用
當混合料在外力作用下產生裂縫時, 均勻分散的纖維在裂尖處起到了橋接作用, 從而有效阻止了裂紋的產生和發展。同時在外力作用下顆粒性材料間會產生位錯與滑移, 的滑移受阻后, 使纖維可將單軸應力轉移到其它基體上, 從而使應力分布擴散更均勻。
2．界面增強作用
纖維材料由于其的比表面積, 使得瀝青中的油分被吸附, 相當于瀝青質相對增多,從而使瀝青的粘度增, 粘附力更強。同時, 瀝青與纖維間產生的物理和化學吸附、擴散與鍵合作用下, 使得結構瀝青膜厚度增,這樣使得纖維瀝青相與礦料相之間的界面效應增強, 從而有效降低了結構的破壞危險。
3．纖維的穩定作用
混合料高溫變形能力差, 同瀝青粘結強度下降迅速有很關系, 而傳統混合料高溫下瀝青會在結構內產生流動與集中, 更進一步加了其高溫變形性能。而纖維加入后, 可明顯阻止瀝青的流動。
4．纖維的增韌阻裂性能
纖維的模量值和延伸變形能力很強,當路面產生裂縫時而不致于松散破碎。纖維的分布均勻性是纖維瀝青混合料中纖維增強效果的關鍵。 纖維強度與界面粘結強度比應適中, 否則會產生增而不強現象。纖維瀝青混合料中若纖維強度過高, 與基體的粘結強度不協調, 往往纖維會被拔出; 纖維強度過低, 起不到增強作用。由于礦質級配不同, 使得纖維增強基體的性能差異也較, 礦料的選擇應同纖維類型選擇相結合。一般在較細的礦質級配中纖維的作用效果較明顯, 但級配過細, 基體的整體強度又偏低, 如何協調這一矛盾, 在設計和纖維選擇時至關重要，應充分考慮。
四、結語
綜上所述，纖維瀝青混凝土與普通瀝青混凝土相比，其各方面性能都有較好的改善，在瀝青混合料中添加適當的纖維后，能明顯提高瀝青混合料的路用性能，可以使瀝青混凝土路面的使用年限得到有效延長。
一、纖維對瀝青混合料的影響分析
纖維的加入會影響瀝青混合料性能，對混合料有著加筋與阻裂的作用。研究表明，纖維的類型、長度、細度、纖維在混合料中的質量百分比（纖維劑量）以及纖維的分散特性均對纖維瀝青混合料有著明顯影響。纖維劑量不同，則纖維在混合料中的分散程度、有效比表面積、對混合料的加強效果等方面均不相同。
1．最佳瀝青用量
纖維劑量的增加，將使瀝青混合料的最佳瀝青用量的增，這是因為纖維的加入如同填料一樣，需要更多的瀝青包裹在纖維表面，纖維含量越多，纖維的比表面越，吸附瀝青也越多，最佳瀝青用量也增加。但隨著纖維劑量的增，最佳瀝青用量的增速率減緩，達到一定劑量時最佳瀝青用量增加不多或不增加。由此可知，纖維加入有合適劑量，并非纖維越多越好。
2．密度
纖維的相對密度均較小，一般<1.4，比礦料的密度小的多，體積也較疏松，纖維加入混合料后要占用一定的空間，因此在相同的壓（擊）實力功，瀝青混合料的密度值反而會下降，纖維劑量越，密度下降越多。
3．穩定度和流值
盡管人們認為馬歇爾穩定度和流值作為高溫性能指標不太合適，但現行標準中仍采用它為瀝青混合料高溫性能的一種控制指標。馬歇爾穩定度是馬歇爾標準試件在60℃和加載速率50mm/min條件下，沿試件直徑方向垂直破壞荷載的最值；而流值是該最破壞荷載時試件的垂直變形。前者反映了試件抗破壞性能，而后者一定程度上可以表明試件中自由瀝青的含量和試件的抗變形能力。
隨著纖維劑量的增加，混合料的穩定度有不同程度的增加，但當超過一定劑量后反而又有所下降。纖維劑量較小時，分散較均勻，且有纖維加強作用，穩定度也有所增加；但較的纖維劑量下，其分散性受限制，故馬歇爾穩定度值隨纖維劑量增加到一定值后反而有所降低。
眾所周知，流值同瀝青用量關系密切，且側面反映了試件的抗變形性能，尤其是當荷載達到破壞荷載后，其變形值能穩定在某一固定值時的持久性更能體現瀝青混合料的抗變形特征。流值有隨纖維劑量增而遞增的趨勢，表明纖維用量增多，混合料中的瀝青也較多，同時，纖維加入可有效增強混合料的抗變形能力。實驗中，我們觀察到沒有纖維的混合料均較脆，在最破壞荷載時立即劈裂開或松散；而纖維混合料試件在最破壞荷載時，若不仔細分辨，似乎仍保持完好。且可見到其裂縫面上有部分纖維從中被拔出。
4．孔隙率和礦料間隙率（VMA）
纖維在劑量較小時，拌和都較均勻，而瀝青用量又比普通混合料的有所增加，在高的瀝青用量下，其纖維瀝青砂漿可充分充填到礦料間，使得剩余孔隙率比高劑量的要小；相反在高的劑量下，因拌和均勻性受限，纖維結團成束后占有更空間，使礦料相互接觸受阻，盡管瀝青用量也增，但仍存留下較的空隙。如前面所述，纖維加入要占一定空間，且在纖維的彈性效應作用下，用相同的擊實功能擊實時，其密實過程受到阻礙，故纖維加入后空隙率均有增趨勢，且隨纖維劑量增而增。
礦料間隙率（VMA）包含著瀝青體積百分比和剩余空隙率，前文已述瀝青用量隨纖維計量增而增加，而空隙率也是增的，所以礦料間隙率也是隨纖維劑量的增加而遞增的，盡管VMA增，而VMA變化不，這表明纖維加入后，有效瀝青薄厚都有所增，這有利于混合料的低溫和耐久性能。
總之，纖維加入后，最佳瀝青用量增，密度降低，空隙率與VMA增，馬歇爾穩定度應視纖維加強作用和纖維分散性能而定，流值均有增趨勢。
二、纖維在瀝青混合料中的作用
1．吸附瀝青能力
木質素纖維吸附瀝青能力最好，在170℃以上的高溫下，所吸附的瀝青才會析出，而其他纖維只要在120℃-130℃就會析出。相比較而言，木質素纖維可持瀝青能力最好，其次是石棉纖維和玻璃纖維，而三種有機纖維可持瀝青能力相似。纖維吸附瀝青的能力小主要與纖維的表面粗糙程度、比表面積的小、纖維的組成結構等因素相關。有人認為纖維吸附瀝青較多但沒形成有效的瀝青膜，造成瀝青浪費，成本提高，易使混合料變脆；而另外的人認為纖維可持瀝青能力與混合料的自由瀝青析漏有關，這是有利的。實際上，這應根據混合料類型而定，SMA、OGFC等結構中主要是防止瀝青析漏，則常用木質素纖維和石棉纖維等，而其他普通混合料結構主采用加筋效果好的聚酪纖維和聚丙烯腈纖維較好。
2．改善瀝青力學性能
各種纖維均可以改善高溫性能、低溫抗裂性、耐水性和耐疲勞特性，總體來看，聚脂纖維和聚丙烯腈纖維等有機纖維綜合改善性能較好，石棉纖維改善效果也不錯，但對環境有污染。
3．與混合料的混合與粘結
不論那種纖維均希望與瀝青的粘結要好，只有其粘結強度高，才能保證纖維在受拉時不會被拔出，同時，將混合料內產生的拉應力通過纖維進行傳遞，起到橋接與阻裂作用。因此，纖維的橋接與粘結將是選擇纖維的又一重點。
4．纖維自身的強度和模量
據復合材料理論，纖維自身強度太小，不利于混合料總體強度的提高;若纖維自身強度和模量過，與瀝青混合料的界面強度不匹配，對短纖維而言，其纖維與混合料結合處的剪切應變不協調，反而會出現應力集中現象，使混合料總體強度反而下降。
三、纖維瀝青混合料的增強機理分析
1．橋接阻裂作用
當混合料在外力作用下產生裂縫時, 均勻分散的纖維在裂尖處起到了橋接作用, 從而有效阻止了裂紋的產生和發展。同時在外力作用下顆粒性材料間會產生位錯與滑移, 的滑移受阻后, 使纖維可將單軸應力轉移到其它基體上, 從而使應力分布擴散更均勻。
2．界面增強作用
纖維材料由于其的比表面積, 使得瀝青中的油分被吸附, 相當于瀝青質相對增多,從而使瀝青的粘度增, 粘附力更強。同時, 瀝青與纖維間產生的物理和化學吸附、擴散與鍵合作用下, 使得結構瀝青膜厚度增,這樣使得纖維瀝青相與礦料相之間的界面效應增強, 從而有效降低了結構的破壞危險。
3．纖維的穩定作用
混合料高溫變形能力差, 同瀝青粘結強度下降迅速有很關系, 而傳統混合料高溫下瀝青會在結構內產生流動與集中, 更進一步加了其高溫變形性能。而纖維加入后, 可明顯阻止瀝青的流動。
4．纖維的增韌阻裂性能
纖維的模量值和延伸變形能力很強,當路面產生裂縫時而不致于松散破碎。纖維的分布均勻性是纖維瀝青混合料中纖維增強效果的關鍵。 纖維強度與界面粘結強度比應適中, 否則會產生增而不強現象。纖維瀝青混合料中若纖維強度過高, 與基體的粘結強度不協調, 往往纖維會被拔出; 纖維強度過低, 起不到增強作用。由于礦質級配不同, 使得纖維增強基體的性能差異也較, 礦料的選擇應同纖維類型選擇相結合。一般在較細的礦質級配中纖維的作用效果較明顯, 但級配過細, 基體的整體強度又偏低, 如何協調這一矛盾, 在設計和纖維選擇時至關重要，應充分考慮。
四、結語
綜上所述，纖維瀝青混凝土與普通瀝青混凝土相比，其各方面性能都有較好的改善，在瀝青混合料中添加適當的纖維后，能明顯提高瀝青混合料的路用性能，可以使瀝青混凝土路面的使用年限得到有效延長。
