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木質素纖維在瀝青混合料中的應用

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【摘要】:
自20世紀80年代以來,為適應現代重載交通對路面材料性能要求提高的特點,歐美一些國家就廣泛開始了纖維加強瀝青材料的應用研究,并形成了一些專利產品。德國通過對瀝青混合料摻加纖維的研究和觀測表明,摻加纖維可以改善瀝青混合料的高溫穩定性,疲勞耐久性,并且具有低溫抗裂和防止反射裂縫的性能[1]。正是由于具有以上優良品質,纖維也被用在機場道面、橋面鋪裝、收費站等鋪面中。美國、加拿大、德國等國采用木質素纖維混
自20世紀80年代以來,為適應現代重載交通對路面材料性能要求提高的特點,歐美一些國家就廣泛開始了纖維加強瀝青材料的應用研究,并形成了一些專利產品。德國通過對瀝青混合料摻加纖維的研究和觀測表明,摻加纖維可以改善瀝青混合料的高溫穩定性,疲勞耐久性,并且具有低溫抗裂和防止反射裂縫的性能[1]。正是由于具有以上優良品質,纖維也被用在機場道面、橋面鋪裝、收費站等鋪面中。美國、加拿大、德國等國采用木質素纖維混凝土修筑了大量高速公路及其它重交通公路。
 
1、纖維吸濕、吸油性:
 
纖維的吸濕性主要取決于纖維的材質。若纖維的吸濕性很大,外界的水分較容易侵入,會使纖維瀝青界面產生侵蝕與濕脹,降低混合料的水穩性,所以纖維吸濕性不易過大。木質素纖維和礦物纖維吸濕性體積膨脹明顯,可以捏出水分,纖維顏色加深,說明木質素纖維和礦物纖維易吸收水份,使用前應保管好避免雨淋。
 
吸油性指標反映了纖維對瀝青的吸附能力[2]。作了浸潤時間為5min與60min的吸油率對比試驗。結果表明,浸潤時間對吸油率幾乎沒有影響,這說明除界面的吸附等作用外,纖維對礦物油的吸收作用不明顯。
 
2、纖維與瀝青粘附性:
 
粘附性反映了纖維瀝青膠漿的水穩定性及纖維約束裂紋擴展、約束材料松散的能力。測定在沸水中煮30min[3]后纖維上的殘留瀝青百分率,木質素為99%,礦物纖維約93%,而石灰石只有約85%,由此看出,纖維具有較強的粘附瀝青能力,增強瀝青混合料的水穩定性和抗剝離能力。
 
3、網藍析出滴漏:
 
各種纖維的吸持瀝青效果與環境溫度有關。溫度高時,瀝青膜薄,粘度降低,纖維材料的吸持效果明顯降低。若以140℃時纖維對瀝青的吸持量為100%計,160℃時降至75%,170℃時僅70%。木質素纖維吸持瀝青的能力表現出良好的效果,在140℃時,1g木質素纖維可以吸持10g瀝青,在溫度升高至170℃仍可吸持9g瀝青,礦物纖維比木質素纖維稍差;在140℃時,礦粉瀝青膠漿全部滴落,表明礦粉雖然表面積也較大,常溫下可以粘附瀝青,但是當瀝青處于熱熔流淌狀態時,還是不能吸持瀝青,表明纖維因其化學成分、構造和很大的比表面積,對瀝青的吸附能力是很強的,纖維對瀝青的吸持作用明顯優于礦粉。
 
4、水穩定性:
 
木質素纖維質地疏松,表面粗糙,成多孔性,多側向分枝;瀝青中酸性樹脂組分是一種表面活性物質,它在木質素纖維表面產生的物理浸潤、吸附甚至化學鍵作用,使瀝青呈單分子狀排列在木質素纖維表面,形成結合力牢固的“結構瀝青”膜,它比薄膜以外的自由瀝青粘性大,耐熱性好;同時,由于木質素纖維的吸附及吸收作用,混和料瀝青用量增加,能使結構瀝青膜增厚65%~113%[4];木質素纖維及其周圍結構瀝青一起裹覆于集料表面,使瀝青膜厚度及性質都發生變比。較厚的瀝青膜減慢了瀝青老化速率,從而可長時間地維持其粘附性,降低了水對瀝青與集料的浸蝕破壞作用,增強了瀝青混和料抵抗水損害的能力,使混合料水穩定性增強。
 
5、高溫穩定性:
 
木質素纖維在瀝青基體內的分布是三維隨機的。由于截面纖細,使得木質素纖維摻量不大的瀝青基體內木質素纖維數目卻相當大,形成縱橫交織的空間網絡。一方面,裹覆在木質素纖維上的“結構瀝青”網,增大了結構瀝青比例,減薄了自由瀝青膜,使木質素纖維瀝青膠漿粘性增大,軟化點上升,高溫穩定性大幅提高;另一方面,縱橫交織的木質素纖維在混合料中無定向分布且互相搭接,形成的木質素纖維骨架結構網,起到“鏈橋”作用,使混合料具有較高強度與勁度,增強了彈性恢復,減緩了車轍的加深速度,極大的改善了混合料的高溫抗車轍性能。
 
6、低溫抗裂性:
 
采用低溫彎曲破壞評價低溫抗裂性。0℃彎曲應變越大,反應出混合料破壞時所需能量越大,則低溫時混合料抵抗收縮拉應變的能力越強,低溫抗裂性越好[3]。首先,木質素纖維的加入使混合料的最佳瀝青用量增加,這本身就增加了混合料的延展性,改善了混合料的勁度模量;其次,與木質素纖維良好的物化性能有關,木質素纖維在低溫[5]并不變硬、變脆,故加筋作用使混合料具有了較好的柔韌性,提高了混和料低溫應變值;第三,互相搭接的木質素纖維又提高了混合料的抗拉強度;因此,混合料的低溫抗裂性得到改善。
 
7、疲勞耐久性:
 
疲勞破壞的過程,首先是在結構的某個部位開始產生微小裂紋,裂紋起點為疲勞源,對瀝青混合料,荷載、溫度及內部不均勻結點的存在是其產生疲勞源的主要因素。當材料受荷載作用時,裂紋尖端發生應力集中,裂紋擴展;當裂紋尺寸達到臨界值時,就出現失穩擴展,材料出現較大的裂紋直至斷裂破壞。一方面,由于三維隨機各向木質素纖維阻滯了裂紋的擴展,吸收和消耗了部分混合料斷裂所需要的能量,減緩了亞臨界擴展,增加了彈性恢復;另一方面,裂紋發展時,木質素纖維會使裂紋轉向或岐化,減慢裂縫產生的速率,延長材料失穩擴展、斷裂出現的時間;因此,木質素纖維可以減少裂縫的出現,提高路面的疲勞耐久性。