玄武岩纤维加筋沥青混凝土动态模量主曲线研究.pdf

浙 江建 筑 ， 第 3 O卷 ， 第 5期 ， 2 0 1 3年 5月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 3 0，No 5 ，Ma y 2 0 1 3 玄武岩纤维加筋沥青混凝土动态模 量主 曲线研究 Dy n a mic Mo d u l u s Ma s t e r Cu r v e Re s e a r c h o n B a s a l t F i b e r Rei n f or c e d As ph alt Co n c r e t e 蒋波 ， 赵 纪 法 J i a n g B o，Z h a o， ( 浙江省建筑设计研究 院 ， 浙 江 杭州 3 1 0 0 0 6 ) 摘要 ： 为 了研究玄武岩纤维加筋沥青混合料 的动态 特性 ， 采 用室 内试验 方法测 试 了玄 武岩纤 维加筋 沥青混 合料在 4 、 2 1 、 4 1三个温度条件和 0 1 1 5 1 0 、 2 5 H z五个加 载频率条件下 的动态模量 ， 分析 了温度和加载频率对 混合料动态特性 的影响。依 据时一 温等效原理 、 S形方程和 WL F模型建立了玄武岩纤 维加筋 沥青 混合料 的动态模 量主 曲线 。研究结 果表明 ： 玄武岩纤维 加筋 沥青混合料 动态模量 随温度升高而显著减小 ， 同时还随加载频率的增大 而增加 ； 以参考 温度 2 0建立 的玄武岩纤 维加筋沥青 混 合料动 态模量 主曲线可很好地拟合试验数据。 关键词 ： 玄武 岩纤维 ； 沥青混合料 ； 动态模量 ； 主曲线 中图分 类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 6 30 4 改善 沥青 混合 料路 用性 能可 以有 效提 高道 路使 用质量 、 延长使用寿命 。通过在沥青混合料 中加入 纤维 材料 来改 善 沥青混 合 料 的整 体 物理力 学性 能是 目前 在 这 方 面 的一 个 主 要 研 究 方 向 。玄 武 岩 纤 维 以其优 良的技 术性 能 ， 近 年来 被 用 作 沥 青 混 合料 的一 种加 筋材 料 ， 取 得 了 大 量 的研 究 成 果 并 得 到广 泛 的工程 应用 。 沥青 混合 料 是 一 种典 型 的粘 、 弹 、 塑性 综 合 体 ， 并以粘弹性为基本力学特征。复数模量是描述沥青 混合 料粘 弹性 性 质 的重 要 指 标 ， 它 的实 部 为 储 能模 量 ， 表 征弹性 部 分 ； 它 的 虚 部 为损 耗 模 量 ， 表 征 粘 性 部分 ， 复数模量的绝对值 ( 模 ) 成为动态模量。沥青 混合 料 动 态 模 量 是 沥 青 路 面 设 计 的 重 要 参 数 。 目 前 ， 修订 的美 国 A A S H T O路面结构设计指南 规定 在需 要 较高 抵抗 力 的洲 际公路 和其 他大 多数 高等 级 公路设计中， 引用动态模量试验来描述沥青混合料 的性能。可见， 在沥青路面设计 中考虑混合料的动 态特 性 已经 成 为一个 明确 的方 向 。 目前 ， 玄武岩纤维加筋沥青混合料虽然取得了 较多 的研 究成 果 ， 但 研究 集 中于材 料 的静 态特 性 ， 而 关 于玄武 岩纤 维加 筋沥 青混合 料 的动态 特性 尚无 针 对性 的研 究 。 因此 ， 本 文 从 动 态 模量 这个 材 料 力 学 性能指标 出发 ， 研究了玄武岩纤维加筋沥青混合料 的动 态 特征 ， 并得 出 了玄 武 岩 纤 维加 筋沥 青 混 合 料 的动 态模 量 主 曲线 。 1 混合料设计 1 1原 材料 玄武岩纤维加筋沥青混合料是由沥青混合料在 拌 合过 程 中掺加 玄武 岩纤 维制备 而成 的 。本文采 用 的主要 原材料 有 玄武岩 集料 、 石 灰 岩矿 粉 、 S B S改 性 沥 青 和玄武 岩纤 维 。玄 武 岩纤维 以玄 武岩 为原料 生 产 ， 化 学性质 稳定 ， 与沥 青 有 良好 的表 面亲 和 力 ， 易 于在沥青混合料中均匀分散 。本文所用玄武岩纤维 单丝长度 6 mm， 直径 1 5 m， 外观形状为长条薄片， 颜 色呈 暗金 色 。玄武 岩 集 料 、 石 灰 岩 矿 粉 和 S B S改 性 沥青 的技术 性质 见表 1 。 收稿 日期 ： 2 0 1 30 20 4 作者简介 ： 蒋波 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 湖南会 同人 ， 助理工程师 ， 从 事城市道路设计工作 。 6 4 浙江建筑 2 0 1 3年第 3 0卷 1 2矿料 集 配 采用现行 公 路沥青路 面施 工技术 规范 ( J T G F 4 0 -2 0 0 4 ) 规定 的 A C 一 1 3级 配作为 玄武岩 纤 维加 筋沥 青混合 料 的设 计级 配 ， 集 体级 配 曲线 见 图 1 。 得 l 謦 图 1 玄 武 岩 纤 维 加 筋 沥青 混合 料 级 配 曲线 1 3 最 佳 油 石 比 确 定 采用 公 路沥 青 路 面施 工 技术 规 范 ( J T G F 4 0 2 0 0 4 ) 规定的马歇 尔试验方法研究确定玄武岩纤 维加 筋沥青 混合 料 最佳 油 石 比。根 据 相关 研 究 ， 选取 玄武岩 纤 维 掺 量 为 0 4 ， 5个 初 始 油 石 比为 4 6 、 4 9 、 5 2 、 5 5 、 5 8 。 依据 公 路工程 沥青及 沥青混合料 试验 规程 ( J T G E 2 0 2 0 l 1 ) 规定的沥青混合料试件击实成 型 方法 ， 根 据 5个 初 始 油 石 比 ， 成 型标 准 马 歇 尔 试 件 ， 共 5组 ， 每组 4个试件 ， 共 2 0个试件 。测试各 ： 件 密 度 、 孔 隙 率 、 稳 定 度 等 指 标 ， 试 验 结 果 见表 2 表 2马歇 尔 试 验 结 果 根据 表 2所 示 的沥青混 合料性 能指 标随 油石 比 的变化规 律 ， 确 定本 文 设 计 的玄 武 岩 纤维 加 筋 沥青 混 合料 的最佳 油石 比为 5 1 。 2动 态 模 量 试 验 2 1 试 件 准 备 本 文采 用 抗 压 模 式 的 动 态 模 量 试 验 ， 研 究 玄 武岩纤维加筋沥青混凝 土动态模量 主曲线。试验 所 用 试件 为 高 1 5 0 mm、 直 径 1 0 0 mm 的 圆 柱 体 试 件。根据混合 料设计得 出 的级 配 和最佳油 石 比， 采 用 旋转 压 实 仪 成 型 原 始 试 件 ， 然 后 经 钻 心 和 切 割 ， 获得 试 验所 需 标 准 试 件 。 为安 装 应 变 传 感 器 ， 在 标 准试 件 表 面还 需要 粘 贴 6个 金属 件 ( 见 图 2 ) 。 为避 免试 验 结 果 的 离 散 性 ， 试 验 结 果 取 三 个 平 行 试 验 的平 均 值 。 浙江建筑 2 0 1 3年第 3 0卷 而 不必进 行大 量 的试 验 。 通 常 ， 采 用 非 线性 最 小二 乘 法拟 和 动态 模 量 主 曲线， 可以通过 s形 函数算术模拟 ， 如下式所示 ： l o g l E l = 8+ 1+ e 卢 ( 1 ) 式( 1 ) 中：l E l 一动态模量； 6 一动态模量的最小值 ； 6+ 一动态模量的最大值 ； 卢， y s形 函数 外形 的描述 参数 ； 一 变 量 ， 是 等级 的 函数 ； 一 缩减频率， 即参考温度下的频率 。 3 2平 移 因 子 运 用 时 温 等 效 的 关 键 在 于 求 出 平 移 因 子 o ( ) ， 将不同温度下 的动态模量曲线平移形成主曲 线 。平 移 因 子 是 一 个 时 间 的 水 平 移 动 量 ， 代 表 了 各温 度 下 的动 态模 量 曲线 到参 考 温 度 下 主 曲线 的 平移 距 离 ， 它 们 可 以 在 非 线 性 拟 合 中 同 时 确 定 。 式 ( 2 ) 中表 示 了缩 减 频 率和 时 间 一 温 度 平 移 因子 有 如下 的关 系 ： ( )： ( 2 ) 式 ( 2 ) 中： 。 ( ) 一平 移因 子 ， 温度 的 函数 ； 一试 验 时的加 载频率 ； 一参考温度下的缩减频率 ； 卜 荷 载周 期 的温度 。 国内 外 在 沥青 混 合 料粘 弹性 研 究 中 主要 采 用 WL F公式 得到平 移 因子 ， WL F公 式表达 式如 下 ： = 1 0 _ r n 乙 2 十 一 式 ( 3 ) 中 ： 一 温度 时 的粘度 ； 温度 时 的粘 度 ； C 。 、 C 一 常数 ； 一 材 料 的基准 温 度 ， 一般 取 为 材 料 的玻 璃 化 温度 。 3 3主 曲线建 立 利用 s 形方 程 和 WL F模 型 ， 将 玄武 岩纤维 加筋 沥青混合料在三种温度和五种频率条件下得到的动 态模量试验数据进行非线性最小二乘 回归， 得到主 曲线 的各 项参数 见表 4 。 表 4 玄武岩纤维加筋沥青混合料动态模 量主 曲线参数 参数 c1 C 2 n 口 6 参数值O 0 7 9 3 5 0 0 0 0 5 5 9 4 6 5 6 2 2 8 9 8 2 0 3 1 2 3 I 4 5 6 1 0 4 参 考 温度 为 2 0 时 的玄武 岩 纤 维加 筋 沥青 混 合料动态模量主曲线见 图 5 。主曲线连续、 光滑 ， 可 以很 好地拟 合试验 数据 。 图 5动态模 量主曲线 图 4 结 语 ( 1 ) 玄 武岩纤 维加 筋 沥青 混合 料 动 态模 量 主要 受温度和加载频率影响。随温度升高而显著减小 ， 同时还 随加 载频率 的增大 而增加 。 ( 2 ) 根据 时一 温等效原理 ， 利用 s 形方程和 WL F模 型建立 了参考温 度为 2 0 的玄 武岩纤维 加筋沥 青混 合料动态模量主 曲线 ， 可很好地拟合试验数据 。 参 考 文 献 陈春 ， 钱振东 基于室内试验 的玄武岩纤维沥青混 合料路用性 能研究 J 上海公路 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 5 55 8 R e e d B F P o l y e s t e r f i b e r s i n a s p h a l t p a v i n g m i x t u r e J A A P T， 1 9 8 9 ( 5 8 ) ： 1 1 6 31 1 7 7 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 ( 1 ) ： 2 6 4 1 杨勇新 ， 岳清瑞 玄武岩纤维及其应用中的几个问题 J 工业 建筑 ， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 5 55 8 马翔 ， 倪富健 ， 陈荣生 沥青 混合料动 态模量试 验及模 型预估 J 中国公路学报 ， 2 0 0 8 ( 2 1 ) ： 3 5 3 9 C h e n L e i l e i ， Q i a I l Z h e n d o n g ，L u o S a n g E x p e r i m e n t a l s t u d y o n d y n a mic mo d u l u s o f t h e r mo s e t t i n g e p o x y a s p h a l t mi x t u r e f o r s t e e l d e c k p a v e m e n t J J o u r n al o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， 2 0 1 0 ( 2 6 ) ： 1 1 2 1 1 6 张肖宁 沥青与 沥青混 合料 的粘弹 力学原 理及应 用 M 北 京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 6 ： 5 0 9 5 E o 【 X，喜 蒋 l二 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