纤维沥青混凝土桥面铺装的路用性能.pdf

第 2 8卷第 4期 2 0 1 1 年 1 2月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 ． 2 8 No ． 4 De c ． 2 011 纤维沥青混凝土桥面铺装的路用性能 董 晶， 张海涛 ( 江汉大学建筑工程系，湖北武汉4 3 0 0 5 6 ) 摘要： 在郑州小刘桥的桥面铺装层中选取 A C ． 1 6和 A C 一 2 5型沥青混凝土， 分别掺加聚酯纤维、 聚酯纤维和聚 丙烯腈纤维的混合纤维而形成不同的实验路段， 通过对纤维沥青混凝土高温稳定性、 低温抗裂性、 水稳定性等 路用性能试验， 来综合评价纤维沥青混凝土的各项性能以及纤维的增强作用， 结果表明， 短细的纤维在沥青中 起到提高粘结性 、 热稳定性 、 抗流变性、 抗水损害性 、 改善低温使用性能等作用， 对沥青混凝土的增强作用明显， 混合纤维对沥青混合料的路用性能改善效 果更为显著。该试验结果在桥面铺装实桥试验段中获得了成功应 用， 说明采用纤维沥青混凝土作为铺装层可以保证桥面沥青混凝土铺装层的抗车辙能力、 抗水损害能力以及抗 疲劳能力， 能够避免桥面铺装层的早期破坏问题。 关键词： 纤维沥青} 昆 凝土； 聚酯纤维； 聚丙烯腈纤维 ； 路用性能 中图分类号： U 4 1 6 ． 2 1 7 ； U 4 4 3 ． 3 3 文献标识码： A 文章编号： 2 0 9 5 — 0 9 8 5 ( 2 0 1 I ) 0 4 - 0 0 6 5 — 0 3 在桥梁结构设计时 ， 铺装层一般不作为受力 层处理 ， 但铺装层在车轮荷载及其冲击下 ， 部分或 全部参与了主梁 的变形 ， 桥面铺装 层要 承受 由于 协 同变形而产生的内力。由于现在重型车辆大幅 增加 而使得桥梁结构振动大 ， 因此对桥面铺装 的 抗裂性要求较高， 并且 沥青混合料本身温度敏感 性较大， 高温时易产生流动变形形成车辙 ， 低温时 易脆性开裂 。纤维加筋沥青路面技术由于使用方 法简单 、 易于操作 ， 已在我 国多个地区的桥面铺装 和路面工程 中得到成功应用 ， 其高温稳定性 、 低温 抗裂性 、 水稳定性 、 耐老化性等都有明显提高。本 文通过对比试验研究分析 了聚合物纤维 (： 聚酯纤 维 、 聚酯纤维 +聚丙烯腈纤维 ) 沥青混凝土 的路 用性能 ， 为进一步 了解和掌握纤维沥青混凝土技 术进行探索 。 纤维沥青混合料的拌和 首先， 按拌和混合料的数量， 从大包纤维中准 确称量出每次拌和混合料实际掺加纤维的份量并 分成小包 。拌和站开盘后 ， 在集料干拌开始 、 沥青 还未加入及湿拌未开始时 ， 将称量好的小包纤维 从热仓观察 口投入拌和锅 中， 且应在湿拌开始前 投入完毕并关闭热仓观察 口的仓 门， 以保证随集 料干拌的纤维充分搅拌 、 分散 ， 防止沥青及纤维从 热仓观察 口溢出损失 。 在工期较紧时， 可采用集料和纤维 同时加入 拌和的方式。干拌时 间 比未加入纤维增加 1 0 S 左右 。经干拌后 ， 即喷入沥青进行湿拌 ， 拌和时间 比未加纤维增加 8 S 左右 ， 以所有矿物颗粒全部 裹覆沥青胶结料为准。 2 路用性能试 验 2 ． 1 试验方案 采用 山东淄博的 9 0 B沥青 ， 试验方案 ( A C - 1 6 及 A C ． 2 5型沥青混凝土 ) 如表 1 所示。研究采用 马歇尔稳定度试验 、 残留稳定度试验、 冻融劈裂试 验、 车辙试验和低温极限弯曲试验， 全面比较掺加 纤维前后以及掺加不同纤维及同种纤维不同用量 的纤维沥青混合料各种性能指标的差异 。 表 1 试验方 案 方 案 2 ． 2 试验结果分析 各项路用性能试验均按照文献[ 1 ] 中相关方 法进行。 收稿 日期： 2 0 1 1 4 3 9 - 2 6 修 回日期 ： 2 0 1 1 ． 1 1 ． 1 7 作者简介 ：董晶( 1 9 6 9 - ) ， 女 ， 湖北武汉人 ，讲师 ， 硕士 ， 研究方向为土木工程材料 ( E m i l ： 3 9 7 1 8 0 6 0 4 @q q ．c 。 m) 6 6 土木工程与管理学报 2 ． 2 ． 1马歇尔稳定度试验 试验结果如图 1 ～5所示。纤维加入混合料 后要占一点空间 ， 在纤维的弹性效应作用下 ， 用相 同的击实功能击实时， 纤维混合料的密实过程受 到阻碍 ， 故纤维加入后空隙率均有增大趋势， 并且 随纤维用量增大而增 大， 空隙率的增加有助于沥 青混凝土热稳定性 的提高。宏观上 ， 纤维沥青混 合料可视为连续而均匀的， 但细观和微观上， 则是 既不连续也不均质的， 尤其在纤维分散不均的情 况下 ， 纤维的加入会导致混合料 中“ 强度弱点” 的 涨落。所以， 纤维加人后稳定度的变化 主要视其 桥接加筋和阻裂 的加强作用与“ 强度弱点 ” 的削 弱作用综合而定。由于聚丙烯腈纤维的强度远大 于聚酯纤维 ， 并且其纤维的分散性较优 ， 故方案三 得到的稳定度最 大， 加筋和桥接作用更为明显。 纤维加入后 ， 残留稳定度明显增加 ， 但不 同纤维及 不同纤维掺加量对残留稳定度 的影响不大 ， 这表 明纤维的加入并非越多越好。 图 1 试验方案与空隙率的关系( 标准马歇尔试验) 图 3 试验方案与稳定度的关系( 标准马歇尔试验) 图4 试验方案与稳定度的关系( 浸水马歇尔试验) 图5 试验方案与残留稳定度的关系 2 ． 2 ． 2 冻融劈裂试验 试验结果如图 6所示 。 不 加纤维 方案 方案。 方案 图 6 试验方案与劈裂强度 比的关系 2 ． 2 ． 3 车辙试验 试验结果如图 7所示。在劈裂条件下 ， 试件 内部呈受拉状态， 试 件破坏主要是 由于 内部 的粘 结力不足以抵抗外荷载作用而逐渐造成 的， 纤维 的加入增强了混合料的整体性， 加强了沥青与集 料间的粘结力 ， 从而可以提高沥青混合料的水稳 定性。随纤维剂量的进一步增加 ， 劈裂强度比出 现下降现象。这是 因为当纤维剂量超过一定值 时， 混合料空隙率增大较多， 使混合料在冻融循环 作用下强度衰减速率加大 ， 混合料 的抗冻和耐水 性能下降， 因此 ， 要求在施工中对纤维沥青混合料 必须加强碾压 ， 以减小空隙率 。 7试 验 方 案 与 动稳 定度 的关 糸 纤维加入对改善沥青混凝土的高温稳定性与 抗车辙能力有较显著效果 ， 但这种改善作用有一 最佳纤维剂量 ， 当纤维剂量超过最佳值时 ， 纤维分 散 、 均匀性下降 ， 多余 的纤维易结团成束 ， 在? 昆 合 料中成为强度 “ 弱点” ， 使得矿料的骨架性下 降， 混合料高温性能 出现缓慢下降。一般而言 ， 纤维 的力学性能越好 ， 则通过界面传递 给纤维的作 用 力越大 ， 增强效果越明显 ， 这解释了方案三的动稳 定度值为各种方案最大值的原因。 2 ． 2 ． 4 低温弯曲试验 试验结果如图 8 、 9所示。掺入纤维的沥青混 盯 踮 踮 胁 " ＼ 衄 第 4期 董晶等： 纤维沥青混凝土桥面铺装的路用性能 6 7 凝土弯曲破坏强度并 未提高 ， 但极 限破坏应变增 大。沥青混合料在低温下 的极限变形 能力 ， 反映 了材料在低温时的粘性 、 塑性性质及材料抵 抗变 形的能力。显然 ， 沥青混合料的极限破坏应 变越 大 ， 低温抗裂性能越好 。我 国《 公路 沥青路 面施 工技术规范》( J T G F 4 0 - 2 0 0 4 ) 就是 以沥 青混合料 的破坏应变作 为低 温性能控制指标。聚酯纤维 、 聚丙烯腈纤维在低温下呈柔性 ， 并且交错 、 桥接 的 纤维使混合料具有较高的弹性 ， 因此纤维混合料 能够有效抵抗低温应力 ， 减少温缩裂缝产生 。 ∞ _ K 营 基 督 黑 鲁 整 图8 试验方案与破坏时抗弯拉强度的关系 图9 试验方案与破坏时最大弯拉应变的关系 3 结 论 ( 1 ) 聚丙烯腈纤维和聚脂纤维都是从石油 中 提炼出来的有机聚合物产品， 其组成结构与沥青 的结构具有近源相似性 ， 因此 ， 这两种纤维同沥青 作用时其界面效应强烈 ， 对沥青具有较强的吸附 作用， 有利于提高纤维与沥青的界面作用效果， 纤 维的桥接与加筋作用强烈。 ( 2 ) 聚丙烯腈纤维和聚酯纤维 与沥青混合料 拌和时 ， 很容易分散均匀 ， 有机纤维性能稳定， 不 污染环境 ， 且施工简便 ， 无需增添任何施工设备和 变更原混合料设计 ， 能有效地解决沥青混凝土的 多种缺陷。 ( 3 ) 混合纤维对沥青混合料的路用性能改善 效果更为显著， 综合考虑经济和技术特性 ， 可以推 广使用。 参考文献 J T J 0 5 2 — 2 0 0 0 ， 公路工程沥青及沥青混合料试验规 程[ S ] ． 陈栓发， 陈华鑫， 郑木莲． 沥青混合料设计与施工 [ M] ． 北京 ： 化学工业出版社， 2 0 0 6 ． 封基 纤维沥青混合料增强机理及其性能研究 [ D] ． 南京： 东南大学， 2 0 0 6 ． 高雪池． 滨州黄河公路大桥桥面铺装研究[ D] ． 南 京 ： 东南大学， 2 0 0 6 ． 马翔， 倪富健， 顾兴宇， 等． 聚酯纤维沥青混合料 路用性能研究分析 [ J ] ． 公路交通科技， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 1 )： 2 4 — 2 7． 于斌． A C 一 1 6 C型纤 维 沥青混 凝土 路用 性能研 究 [ J ] ． 公路， 2 0 0 9 ， ( 7 ) ： 5 8 — 6 2 ． 刘洪瑞 ， 张荣辉． 聚酯纤维增强沥青混凝土在公路 与铁路两用大桥中的应用研究[ J ] ． 新型建筑材料， 2 0 0 8 ， ( 8 ) ： 1 5 — 1 8 ． 丁庆国． 增强纤维沥青混合料在桥面铺装改造中的 应用[ J ] ． 城市道桥与防洪， 2 0 0 8 ， ( 4 ) ： 9 3 9 7 ． Pe r f o r ma n c e o f Fi b e r Re i nf o r c e d As ph a l t Co n c r e t e Ap pl i e d t o t he De c k Su r f a c i n g o f Br i dg e DON G rin g，Z H A NG Ha i — t a o ( 1 ．D e p a r t m e n t o f A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ， J i a n g h a n U n i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 5 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：S i mp l e x p o l y e s t e r fi b e r a n d h y b r i d fi b e r w i t h p o l y e s t e r fi b e r a n d a c r y l i c fi b e r h a v e b e e n mi x e d i n t o AC 一1 6 a n d AC 一2 5 b i t umi n o u s mi x t u r e ：r e s pe c t i v e l y．S O i t f o r ms d i f f e r e n t e x p e r i me n t s e c t i o n s 0 f hi g h wa y a p p l i e d t o t he d e c k c o ns t r uc t i o n o f Xi a o l i u b r i d g e i n He n a n pr o v i n c e ． T h r o ug h a s e r i e s o f s u c h t e s t s o n fib e r r e i n f o r c e d a s p h a l t c o n c r e t e a s h i g h t e mp e r a t u r e s t a bi l i t y， a n t i - c r a c k i n g p e rfo r ma n c e un d e r l o w t e mpe r a t u r e ， wa t e r s t a b i l i t y，t h i s p a p e r s y n t h e t i c a l l y a n a l y z e s t h e p a t hwa y pe rfo r ma n c e o f f i b e r r e i n f o r c e d a s p h a l t c o n c r e t e a n d r e i n f o r c e me n t e f f e c t o f fib e r，t h e r e s u l t o f t r i a l s i nd i c a t e s t h a t s h o r t a n d t h i n fi be r i n t h e b i t u me n c a n i n c r e a s e b o n di n g p e rfo r ma n c e， t h e r ma l s t a b i l i t y， r he o l o g i c a l r e s i s t a n c e p r o p e rti e s， a n t i ． wa t e r d a ma g e a n d s e r v i c e p e rfo r ma n c e u nd e r l O W t e mp e r a t ur e，t h e e f f e c t o f fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i S e v i d e n c e 。f u r t h e r mo r e． t h e h y b r i d fib e r c a n ma k e a b e t t e r r e i n f o r c e me n t e ff e c t i n a s p h a l t mi x t u r e ．Th e t e s t r e s u l t i s we 1 1 a D p l i e d t 0 t h e d e c k s u rfa c i n g o f b r i d g e， wh i c h i n d i c a t e s t ha t fib e r r e i n f o r c e d a s p h a l t c o n c r e t e a s p a v e me n t c 0 u r s e c a n i n c r e a s e t h e p e rfo r ma n c e o f a n t i 。 rut t i n g，a n t i — wa t e r d a ma g e ，a n t i - f a t i g u e a n d p r e v e n t i o n o f e a r l y a g e f a i l u r e ． Ke y wo r ds：fib e r r e i n f o r c e d a s p h a l t c o nc r e t e；po l y e s t e r fibe r ；a c r y l i c fib e r ；p a t h wa y p e r f o r ma n c e