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矿物复合纤维沥青混合料路用性能研究 马莉莉 S u p e r v i s o r P r o f ．C H E NS h u a n f a C h a n g ’a nU n i v e r s i t y , X i ’a n ，C h i n a 论文独创性声明 本人声明本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 ⋯⋯蜀翻莉舛譬月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 导师签名 } l k -‘ 摘要 渠化交通及重载导致沥青路面产生车辙成为其主要病害，国内外针对这一问题进行 了大量研究，其中在沥青混合料中掺入适量的纤维改善抗车辙功能尤为显著。本文采用 环保型复合矿物纤维M i b e rI 型矿物复合纤维 下文简称“M i b e rI 型纤维” 进行 试验研究，系统研究了掺入该纤维的沥青胶浆和混合料的路用性能。 采用车辙试验、小梁弯曲试验和冻融劈裂试验研究了M i b e rI 型纤维沥青混合料的 高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，并与不加纤维的沥青混合料、木质素纤维沥青混 合料和玄武岩纤维沥青混合料的路用性能进行对比。结果表明M i b e rI 型纤维可以较 好地改善沥青混合料的路用性能。根据路用纤维的选择原则，对纤维沥青混合料、纤维 的性能和纤维沥青胶浆的性能试验结果进行分析。结果表明该纤维符合道路纤维的选 择原则。根据不同纤维掺量的M i b e rI 型纤维沥青混合料的路用性能试验结果，该纤维 在A C ．1 3 和S M A ．1 3 两种混合料中的最佳掺量范围分别为0 ．4 - 4 3 ．5 ％和0 ．5 ％．- 0 ．6 ％。运 用灰熵分析方法，对影响M i b e rI 型纤维增强沥青混合料路用性能的各因素的显著程度 进行了分析，分析结果表明沥青混合料的最佳油石比和纤维掺量是两个较重要的影响因 素。研究成果为M i b e rI 型纤维的推广应用及纤维沥青混合料的设计和施工提供了试验 依据。 关键词矿物复合纤维，沥青混合料，胶浆，流变性能，灰熵法 A b s t r a c t W i t ht h ei n c r e a s eo ft h et r a f f i ca n da x l el o a d ，t r a d i t i o n a la s p h a l tp a v e m e n ti sf r e q u e n t l y s u b j e c t e dt ot h ee a r l yd i s e a s e ．E x t e n s i v er e s e a r c h e sh a v eb e e nu n d e r t a k e nt o s o l v et h e p r o b l e ma th o m ea n da b r o a d ．M i x i n gf i b e r si nt h ea s p h a l tm i x t u r ei sa n e wa n de f f e c t i v e a p p r o a c h a t t r a c t e d w i d e s p r e a d c o n c e r n s ．B a s e do nt h eb a c kg r o u n d ，M i b e rIh i g h p e r f o r m a n c em i n e r a lc o m p o s i t ef i b e r i t i sc a l l e d ‘‘M i b e rIf i b e r ’’f o rs h o r tb e l o w w a s d e v e l o p e d ．T h i st h e s i sc o n d u c t e das y s t e m a t i cs t u d yo nt h eu s eo ft h ef i b e ri na s p h a l t 嬲w e l l a Si n t h ea s p h a l tm i x t u r e s ． R u t t i n gt e s t , t h r e ep o i n tb e n d i n gt e s ta n df r e e z e - t h a ws p l i t t i n gt e s tw e r ec o n d u c t e df o r t h ei n v e s t i g a t i o no fh i g h - t e m p e r a t u r es t a b i l i t y , l o wt e m p e r a t u r ec r a c kr e s i s t a n c ea n dw a t e r s t a b i l i t yo fM i b e rIh i g hf i b e rr e i n f o r c e da s p h a l tm i x t u r e ，c o m p a r e dw i t ha s p h a l tm i x t u r e w i t h o u tf i b e r , m i x t u r ew i t l lc e l l u l o u sf i b e ra n dm i x t u r ew i mb a s a l tf i b e r ．T h er e s u l t ss h o w e d t h a tM i b e rIf i b e rh a dag o o dp e r f o r m a n c eo ni m p r o v i n ga s p h a l tm i x t u r e ．P r o p e r t i e so f M i b e rIf i b e r , t h ef i b e ra s p h a l tm a s t i ca n dt h ef i b e rr e i n f o r c e da s p h a l tm i x t u r e sw e r ea n a l y z e d i n c o r p o r a t e dw i t ht h ep r i n c i p l e so fc h o o s i n gf i b e ri nr o a dc o n s t r u c t i o n ．T h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ef i b e rg a v eg o o ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s ．A c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t so f p e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ew i t hd i f f e r e n tM i b e r If i b e rd o s a g e ，t h eo p t i m u md o s a g e r a n g eo ft h ef i b e ri nA C - 13a n dS M A - 1 3a s p h a l tm i x t u r ew e r e0 ．4 ％O ．5 ％a n d0 ．5 ％, - - 0 ．6 ％ r e s p e c t i v e l y ．G r e yc o r r e l a t i o ne n t r o p ym e t h o dw a sa p p l i e dt oa n a l y z et h es i g n i f i c a n c eo ft h e f a c t o r s ，w h i c hi n f l u e n c ep e r f o r m a n c eo fM i b e r If i b e rr e i n f o r c e da s p h a l tm i x t u r e ．T h er e s u l t s h o w e dt h a to p t i m u ma s p h a l tc o n t e n ta n df i b e rc o n t e n tw e r et h et w o m o s ti m p o r t a n tf a c t o r s ． R e s e a r c hr e s u l t so ft h i st h e s i sp r o v i d ee x p e r i m e n t a lr e f e r e n c ef o rt h ew i d e s p r e a du s eo f M i b e rIf i b e r , a sw e l la st h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h ef i b e rr e i n f o r c e da s p h a l tm i x t u r e ． K e y w o r d s m i n e r a lc o m p o s i t ef i b e r ；a s p h a l tm i x t u r e ；m a s t i c ；r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s ； g r e yc o r r e l a t i o ne n t r o p y m e t h o d I I 8．d● 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 本文的主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 ．2 研究路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第二章原材料性能及纤维沥青胶浆性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 原材料性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．1 矿料技术性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 沥青材料技术性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 2 ．1 ．3 纤维材料技术性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．2 纤维沥青胶浆性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 7 2 ．2 ．1 沥青胶浆的高温性能试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 奢 2 ．2 ．2 纤维沥青胶浆的低温性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 第三章M i b e rI 型纤维沥青混合料性能的影响因素研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．1 灰熵分析方法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 ．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．3 4 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．3 ．1 沥青结合料的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．3 ．2 混合料级配的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．3 ．3 纤维掺量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．3 ．4 各影响因素对混合料低温性能的灰熵分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 3 ．4 水稳定性改善效果的影响因素研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．4 ．1 混合料的水稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．4 ．2 各影响因素对混合料水稳定性的灰关联分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 3 ．5M i b e rI 型纤维在沥青混合料中的最佳掺量的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 9 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 第四章纤维沥青混合料路用性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．1 纤维沥青混合料性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．1 ．1A C ．1 3 沥青混合料马歇尔性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 l 4 ．1 ．2S M A ．1 3 沥青混合料马歇尔性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．2 纤维沥青混合料高温性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．3 纤维沥青混合料低温性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．4 纤维沥青混合料水稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 富 4 ．4 ．1 残留稳定度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 9 4 ．4 ．2 冻融劈裂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 4 ．5M i b e rI 型纤维的适用性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 l 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 结论及进一步研究建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．“ 主要研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 进一步研究的建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 I V 近年来，我国公路行业取得的成绩显著。至今公路路面材料主要有两大类沥青混 合料和水泥混凝土。与水泥路面相比，沥青路面具有路面平整、无接缝、行车舒适度高、 振动小、噪声低、施工期短、灰尘小、维修简单、便于机械化施工和养护方便等优点【l , 2 1 ， 所以在国内外高等级公路中得到了广泛的应用。在美国高等级公路中，沥青路面占9 0 ％ 以上，沥青路面的使用在欧洲各国也占有绝对的优势，我国已建成的高速公路中沥青路 面已超过9 5 ％，且仍在持续增长。根据2 0 0 5 年制定的“十一五”规划，我国的高速公 路网在2 0 2 0 年基本建成，新路网由7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向 线组成，简称为“7 9 1 8 网“ 。届时，我国高速公路通车总里程将由4 ．1 万公里增至l O 万 公里。 随着公路建设规模的不断扩大，我国的道路交通也不断地朝着渠道化明显、车速不 k 断增加、轴载增大和车流量增多等方向发展。随之而产生了路面性能低下、使用寿命不 足 一般的使用寿命为6 到1 2 年，远低于道路的设计年限1 5 年 、车辙和开裂严重等 ～ j 期破坏严重问题【3 一，给沥青路面的使用性能带来了更严峻的考验。世界各国的道路工 作者已针对如何提高沥青混凝土路面的整体性能及使用寿命进行了大量的研究，也取得 了大量的研究成果。但是沥青混凝土路面是一个由多个指标控制的体系，而且一些功能 一 的要求往往与其他功能的要求相互矛盾。因此，往往为了提高其中一种性能需要以削弱 另一种路用性能为代价。如O G F C 虽然提高了路面的抗滑性能，但其抗老化性能却随之 下降。4 使用较细的级配、采用针入度较大的沥青、增加沥青用量等虽然可以提高沥青混 合料的低温抗裂性，但是却易出现泛油和车辙等现象，从而降低沥青混凝土路面的高温 性能。因此在沥青混凝土路面的设计中，需兼顾相互矛盾的各方面的性能。 为有效减少沥青路面的早期损坏，我国道路工作者提出和采用了有效的路面设计和 施工新技术，以兼顾沥青混凝土路面的各种性能要求。借鉴5 0 年代高模量、高抗拉强 度的新型增强纤维在轻型结构及水泥混凝土结构中应用的成功经验，在沥青混合料里加 入增强纤维逐渐成为提高沥青混合料各种路用性能的一种新手段。在沥青混合料中掺入 纤维，不仅能弥补沥青混合料低温脆性大、抗拉能力差等不足，还由于纤维对沥青的吸 附增粘作用，减少了路面的泛油和剪切变形，从而有效地提高了沥青路面的高温性能。 第一章绪论 近些年来，纤维沥青混凝土路面由于综合路面性能优良【5 ，6 】， 在我国的路面设计研究中受到越来越多的关注，已经广泛用 路改造工程中。 1 ．2 国内外研究现状 随着经济的快速发展，公路交通行业发生了日新月异的变化，现代交通向着速度快、 密度大、轴载重、渠化分明的方向发展，这对公路建设及养护部门提出了更高的要求。 沥青路面具有平整度好、施工简便等方面的优势，成为主要的路面结构，但是沥青路面 在实际使用中存在许多技术和质量方面的问题，比如早期破损、推移、拥包、车辙、开 裂、唧浆、表面性能快速降低以及使用寿命不足等，这些问题一直以来都是道路工作者 关注的焦点。近年来，在沥青混合料中掺加纤维以提高沥青路面的使用性能的方法受到 了普遍的关注，并进行了大量的研究。 1 ．2 ．1 国外研究现状 纤维在沥青混合料中的应用起始于2 0 世纪5 0 年代后期。预防路面的反射裂缝是纤 维用在沥青混合料的最初目的。早在1 9 5 6 年，Z u b e 评价了在沥青混合料加铺层下放置 金属网，达到地阻止反射裂缝的产生和发展的有效性。结果表明，使用金属网以后可以 极大地延缓，甚至阻止纵向开裂变形，并建议在沥青层中铺设金属网以达到减小沥青路 面层厚度而不损害路面抗裂能力的目的。 1 9 6 0 年，D a v i sN ．M 发表了水泥混凝土路面沥青加铺层抗反射裂缝性能研究， 文中主要介绍了作为添加材料，纤维改善沥青加铺层抗反射裂缝的能力【7 】。1 9 6 1 年E g o n s 及T o n s 在“第2 9 0 号公路研究公报“ 中提出了可以把金属织物用于沥青加铺层中这一 想法。但是金属丝和普通的棉质纤维易受到环境影响发生腐蚀，使其使用寿命受限。 1 9 6 2 年T a m b u r r oD ．A ．尝试在沥青混合料中使用温石棉纤维，并系统地分析了温石 棉纤维对沥青路面性能的影响【引。1 9 6 3 年Z u e h l k eC L H ．在“第2 4 号公路研究档案”中正 式而系统地对短切石棉纤维对混合料马歇尔指标的影响和对其抗弯拉性能提高效果进 行了分析。 2 0 世纪8 0 年代初，由于石棉纤维污染环境且危害人体健康而被禁用。木质素纤维、 聚合物纤维 如聚丙烯纤维、聚脂纤维、聚丙烯睛纤维等 、玻璃纤维随之得到广泛应用 [ 9 - 1 3 】同时开发了纤维格栅也并将其应用于沥青混合料[ 1 4 , 1 5 】。1 9 8 0 年，D y k e s ，J ．w 讨论了 2 长安大学硕士学位论文 纤维织物抑制反射裂缝的能力。1 9 8 3 年，Y a n d e l lW ．O 在丸廿T A s s o e i a t i o no f A s p h a l t P a v i n gT e c h n o l o g i s t 讨论了纤维织物用以延长路面使用寿命的作用效果。1 9 8 5 年 B r o w nS ．F 系统地研究了格栅对路面的加强作用。与此同时，K e n n e p o h l 和G e r h a n d 系统 地阐述了纤维格栅加强沥青混凝土路面的设计方法及应用效果。 1 9 9 6 年，S a m a n o s 和S e r f a s s [ 1 6 】介绍了丸廿T 利用抗车辙能力、低温延展性、抗疲 劳能力、回弹模量等来评价矿物纤维、石棉网纤维、木质素纤维及玻璃纤维对沥青的改 性效果。研究结果表明纤维可以提高混合料的水稳定性、抗开裂、抗疲劳及抗老化的能 力。随后密西根理工大学、F i t z g e r a l d 、B u e n o 、C o o l e y 、B u l l i n g e r 和B y w a t e r 等对木质 素纤维、聚合物纤维等多种纤维展开全面的研究‘1 7 , 1 8 】，研究结果表明纤维在改善路用性 能方面具有一定的优越性。 S a e e dG h a f f a r p o u r ，A l iK h o d a i i ，C l e v e nM ．A ．，F i t g z e r a l d 等针对碳纤维在沥青混 合料中的应用进行了研究【1 9 2 0 】，研究结果表明，在沥青混合料中加入碳纤维可以改善其 疲劳特性和抗永久变形能力等。B r a d l e yJ ．P ．和S e m iN ．A ．对机动车辆轮胎和地毯制造业 中的废弃纤维在S M A 中的应用进行了研究口1 ，2 2 】。研究表明，轮胎和机动车辆地毯制造 业中的废弃纤维对S M A 混合料的动稳定度及水稳性能的改善效果与木质素纤维、聚合 物纤维差别不大，且具有比木质素纤维改性S M A 更好的耐久性。 长达半个世纪的研究及实践经验表明，纤维的确可以改善沥青混合料的高温稳定 性、低温抗裂性和疲劳耐久性。纤维具备有效防止沥青路面的车辙、开裂和坑槽等病害，“ 全面提高沥青路面质量的能力。 随着研究的不断深入化和全面化，纤维织物和纤维在沥青混凝土路面中得到了快速 地推广和应用纤维的使用目的也由最初的延缓和抑制反射裂缝地产生而逐渐转变为对 沥青混合料综合性能的改善；其使用场合也紧跟着发展到各种各样的沥青混合料中 如 薄层或超薄层的沥青混凝土、S M A 路面、稀浆封层、双层防裂加铺层和多孔性沥青混 凝土等 。目前，在美国和西欧等一些国家仍旧在对纤维对沥青混合料的加强与改性作 用进行大量地研究和利用。同时还开发形成了自己的纤维产品及纤维添加所需的设备， 这为纤维沥青混合料的普及应用提供了方便。 1 ．2 ．2 国内研究现状 我国对纤维沥青混合料的应用和研究起步较晚。直至上个世纪9 0 年代，随着S M A 路面结构的引进及纤维添加剂的出现，纤维沥青产品才慢慢引起了人们的关注【2 3 1 。 第一章绪论 同济大学的李立寒教授于1 9 9 2 年转译了路用聚脂纤维沥青混合料} A A P T ，1 9 8 9 ， V 0 1 ．5 8 一文，文章通过马歇尔沥青混合料设计对比研究，确定了掺加与不掺加纤维的沥 青混合料的最佳沥青用量间的差别；并用间接拉伸试验方法，确定聚脂纤维对混合料的 水敏感性和抗拉性能的影响；同时分析了纤维的掺量、细度和长度对沥青混合料性能的 影响。 1 9 9 3 年，国内学者石秀坤首次介绍了国外玻璃纤维加强沥青混凝土路面的使用状 况。1 9 9 6 年姚丽提出了在沥青混凝土路面中加入纵横向的纤维绳【2 4 】，并讨论了纤维绳 在路面抗裂方面所起到的作用。1 9 9 8 年，孙学高在沥青混凝土中掺加了钢纤维，制成钢 纤维沥青混凝土公路面板，申请了专利。后来，随着对S M A 路面结构研究的深入，交 通部公路所的吴启宏、同济大学的黄彭、吉林省公路局的胡时明等【2 5 2 6 1 先后讨论了木质 素纤维 或纤维素纤维 对多碎石沥青混合料及多孔隙沥青混凝土路用性能的贡献。与此 同时纤维格栅也逐渐介入了纤维在沥青路面中的应用。1 9 9 7 年，张晓冰【2 7 】介绍了玻璃 纤维格栅在沥青罩面层中的应用情况。同时南京的玻璃纤维研究设计院的王冬梅、张寅、 张晓云等也对玻璃纤维加强沥青及玻璃土工格栅在沥青混合料路面中的应用展开了全 面的探讨。 随着纤维在我国的使用和推广，近些年针对纤维在沥青混凝土中应用效果的研究也 越来越多。杨红辉等人【2 8 】通过对木质素纤维沥青混凝土的一系列路用性能开展了试验研 究。其中包括高温变形特性、低温抗裂性、抗疲劳性和水稳定性等。试验结果表明，如 果适当地降低沥青混合料的最佳油石比可以大大改善其高温性能，与此同时其它路用性 能也能得等到一定的提高。因此这种方法具有良好的社会和经济效益。 陈华鑫等学割域3 叫从纤维的微观特性及纤维沥青胶浆的锥入度试验出发，并通过3 种不同级配的纤维沥青混合料的低温弯曲蠕变试验，分析级配和纤维对混合料低温抗裂 性的影响。从复合材料角度剖析了纤维对混合料的加强和改善作用的机理。除此以外， 还讨论了掺加纤维以后沥青混合料设计施工的变化。通过对不同纤维用量、纤维类型、 纤维长度和细度的混合料马歇尔试验研究，分析纤维影响沥青混合料的马歇尔试验结果 的原因，得到了纤维沥青混合料的马歇尔指标的变化规律。从而为纤维沥青混合料的 计和施工提供了依据，也为大面积使用这种路面结构提供了便利条件。 孙雪伟、张万磊等【3 l 】研究了玄武岩纤维对S M A 沥青混合料的路用性能的影响， 究结果表明玄武岩矿物纤维不但可以改善沥青混合料的高温稳定性和抗水害的能力， 且纤维吸油率小。 长安大学硕士学位论文 2 0 0 5 - - , 2 0 0 8 年间陕西省交通运输厅主持的陕西省交通建设科技项目陕西省高速公 路S M A 路面材料与结构优化研究中对J R S 生产的颗粒状木质素纤维、北京泛华生产的 絮状木质素纤维、山西泛美工程材料有限公司生产的聚酯纤维和江苏华达生产的矿物纤 维在S M A 中的应用做了比较，结果表明，木质素纤维的低温抗裂性优于聚酯纤维和矿 物纤维，而高温性能要比聚酯纤维稍差一些。随着纤维沥青混凝土在我国研究的日益广 泛，纤维沥青混凝土路面也在我国的许多省市铺筑应用，并取得了良好的效果。 吴少鹏、岳洪波等研究了木质素纤维和聚酯纤维以一定比例掺混而成的混合纤维对 沥青混合料路用性能的影响【3 2 1 ，并指出当聚酯纤维占纤维总量的2 0 ％- - 6 0 ％时，混杂纤 维改性沥青混合料具有良好的抗变形能力，且在此范围内木质素纤维的用量越多，其性 价比越高。 综上所述，我国对纤维在沥青混合料中的应用研究正在不断深入，并逐步走向成熟。 目前道路工程中常用的纤维有絮状木质素纤维、颗粒状木质素纤维、玄武岩纤维、 聚酯纤维和腈纶纤维等。虽然石棉纤维也曾因具有优良的性能得到广泛的应用；但是由猡 于其污染环境且具有致癌作用而在我国甚至世界范围内限制了石棉纤维的使用，甚至禁 用。此外，目前使用的纤维在改性沥青混合料时也都存在着这样或那样的不足之处。木 质素纤维相对面积较大，能很好的吸附沥青，对沥青起到很好的稳定作用。但同时由于 木质素纤维对沥青混合料的加筋作用不明显，且木质素纤维内部为真空管状，会吸附过 多的沥青，且吸入纤维内部的沥青对提高混合料的性能贡献不大，徒增道路的修筑成本。．番 絮状木质素纤维弯曲缠绕，分散性差，不利于施工，木质素纤维吸水能力强，不利于储 存。颗粒状木质素纤维虽然解决了絮状木质素难分散的问题，但是其路用性能也随之下 降，有研究认为之所以会出现这种情况是由于木质素纤维有较强的柔韧性，在施工搅拌 过程中颗粒状木质素纤维不易被打散并均匀分散到沥青混合料中【3 3 】。同时使用颗粒状木 质素纤维价格较高，也会提高工程造价。此外，沥青混合料中的木质素纤维还存在着回 收利用的问题，在沥青混合料再生过程中容易燃烧成灰。玄武岩纤维虽然能起到很好的 加筋作用，且能回收利用。但是由于其表面比较光滑，相对比表面积较小，吸附沥青的 能力较差，对沥青的稳定效果不好。聚合物纤维较粗且表面比较光滑，是从石油中提炼 出来的产品，同石油具有很强的相似性，根据相似相容原理【3 4 1 ，聚酯纤维具有很好的沥 青黏附性，通直的形态又使其具有良好的加筋效果的，因此，它能很好的提高沥青混合 料的低温性能、高温性能和疲劳性能。目前，工程中对聚合物纤维的使用则很少。分析 其原因为其一，聚合物的熔点相对较低，一般不高于3 0 0 ℃。因此，担心聚合物纤维 5 第一章绪论 不能承受拌合时的高温，而在实际应用中有时也会发现聚合物在高温拌合时会发生卷 曲、熔化现象【3 5 1 ，那么它最终起到的是改性作用，还是纤维增强作用从机理上说不清楚。 其二，由于聚合物纤维价格较高，从性价比上来看，应当慎重考虑。 为了克服常用路用纤维的不足，近几年国内外一些学者从环境及路用性能等出发， 对路用纤维的研究和开发越发广泛。M i b e rI 型纤维是在这个背景下研发出的一种新型 纤维。 1 ．3 研究意义 通常纤维通过对沥青的吸附稳定作用及加筋桥接作用，可以有效地改善沥青混合料 的各项路用性能。但目前常用于道路工程中的纤维对吸附稳定作用及加筋桥接作用往往 不能全面兼顾，使得综合以上两种特性的新型纤维的研究和开发逐渐成为路用纤维的研 究方向之一。 M i b e rI 型纤维是基于以上发展趋势研发出的一种新型纤维。该纤维具有比表面积 长安大学硕士学位论文 分析纤维种类对纤维沥青胶浆性能的改善效果，为材料选择提供可靠依据。本文采 用重复蠕变试验、锥入度试验和测力延度试验分别对M i b e rI 型纤维沥青胶浆的高、低 温性能进行系统研究。 3 、纤维沥青混合料路用性能对比分析 对比评价M i b e rI 型纤维、木质素纤维和玄武岩纤维三种纤维沥青混合料的马歇尔 性能、高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，检验M i b e rI 型纤维对沥青混合料路用性 能的改善效果。在此基础上，参照路用纤维的选择原则分析M i b e rI 型纤维的适用性。 4 、M i b e rI 型纤维改善沥青混合料性能的影响因素研究及纤维掺量推荐 引入灰熵法，系统分析纤维掺量、沥青种类、混合料级配类型对M i b e rI 型纤维改 善沥青混合料的路用性能 包括高温稳定性能、低温性能和水稳定性 效果的影响，找 出各主要影响因素。根据试验结果，推荐出两种沥青混合料中的最佳纤维掺量，为M i b e r I 型纤维沥青混合料的推广应用提供技术支持。 1 ．4 ．2 研究路线豪 根据论文的研究内容，制定出以下研究路线 7 8 第二章原材料性能及纤维沥青胶浆性能研究 组成材料的性质是沥青混合料性能的主要决定性因素之一。为保证沥青混合料的性 能，首先要选择合适的组成材料。因此需要根据沥青混合料对原材料的要求选择原材料， 并测定原材料的技术性能。虽然纤维和沥青形成的沥青胶浆在沥青混合料中仅占一小部 分，却对沥青混合料的性能有重要的影响。因此，有必要从粘弹性力学和材料流变学角 度研究纤维沥青胶浆的力学行为。 2 ．1 原材料性能 2 ．1 ．1 矿料技术性能 粗集料选用西安灞桥生产的玄武岩，细集料为机制砂，矿粉采用磨细的石灰石粉。 按照公路工程集料试验规程 J T GF 4 0 - - - 2 0 0 4 的要求测定粗集料、细集料和矿粉主 要技术指标。见表2 ．1 2 ．3 。 表2 ．1 粗集料的物理技术性能 试验项目单位技术要求试验方法试验结果 石料压碎值不大于 ％2 6T 0 3 1 61 2 ．3 洛杉矶磨耗损失不大于 ％2 8T 0 3 1 71 3 ．2 1 3 ．2 1 6 m m 2 ．6T 0 3 0 42 ．7 9 5 表观相对密度 不小于 9 ．5 ～1 3 ．2 m m2 ．6T 0 3 0 42 ．7 9 0 4 ．7 5 9 ．5 m m 2 ．6T 0 3 0 42 ．7 9 1 1 3 ．2 ～1 6 m m ％2 ．OT 0 3 0 40 ．5 7 吸水率 不大于 9 ．5 ～1 3 ．2 m m％2 ．0T 0 3 0 40 ．6 5 4 ．7 5 9 ．5 m m％2 ．0T 0 3 0 4O ．8 2 针片状颗粒含量不大于 ％1 5T 0 3 1 25 ．2 注规范对细集料和填料的表观相对密度的要求均为其表观相对密度大于2 ．5 。 表2 ．2 细集料物理技术性能 试验项目单位技术要求 试验方法试验结果 表观相对密度不小于2 ．5 T 0 3 2 8 2 ．7 6 5 吸水率不大于 ％3 ．0 T 0 3 0 4 1 ．3 2 0 ．0 7 5 r a m 颗粒含量 不大于％1 ．0 T 0 3 3 3O ．2 ●● 9 第二章原材料性能及纤维沥青胶浆性能研究 表2 ．3 矿粉物理技术性能 试验项目单位技术要求 试验方法 试验结果 表观相对密度不小于g ／e m 3 2 ．5 T 0 3 5 2 2 ．7 9 5 亲水系数不大于 1 T 0 1 0 3 0 ．8 5 粒度范围 0 ．6 m m ％1 0 0 T 0 3 5 1 1 0 0 1 5 0 5 c m ／m i n ，不小于 延度 5 ℃，5 c m ／m i n ， C mT 0 6 0 66 ．77 ．8 不小于 软化点T R ＆B ， ℃4 64 5T 0 6 0 65 5 ．64 8 ．5 不小于 相对密度 2 5 ℃实测实测 T 0 6 0 30 ．9 8 30 ．9 9 0 Ⅳr F O T 后残留物 质量变化，不大于％．0 ．8 - - 0 ．8- 0 ．8 - - 0 ．8T 0 6 1 0．0 ．8 卜o ．8- 0 ．8 - 一_ I - 0 ．8 针入度比 2 5 ℃ ， 不小于 ％6 15 7T 0 6 0 46 l5 7 ●， 延度 1 5 ℃ ， C m1 52 0T 0 6 0 51 52 0 不小于 由表2 ．4 和表2 ．5 可以看出S B S I ．C 改性沥青、 A ．9 0 撑沥青的各项指标均符合规范的要求。 2 ．1 ．3 纤维材料技术性能 克拉玛依A ．7 0 4 沥青及克拉玛依 目前，实际工程中应用的纤维种类繁多、规格不一，本章主要针对研究过程中所采 用的木质素纤维、玄武岩纤维和M i b e rI 型纤维三种路用纤维的基本技术性能进行了研 究。研究内容主要包括纤维的微观形貌、吸湿性能、耐热性能和吸持沥青能力。 目前道路工程中常用的纤维一般可以分为硬纤维和软纤维两类。硬纤维通常是由 拉、拔、轧、切等不同工艺制作的钢纤维和矿物纤维等；软纤维一般是指植物纤维及化 学合成纤维，可按照材质分为木质素纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维等。本文在采用常 用的木质素纤维和玄武岩矿物纤维的基础上，重点对新研发的一种路用沥青混合料纤维 “M i b e rI 型纤维“ 进行研究。木质素纤维是以植物为原材料，采用高新技术加工、捣 磨拉丝