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木质素纤维在沥青混合料中的应用

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【摘要】:
自20世纪80年代以来,为适应现代重载交通对路面材料性能要求提高的特点,欧美一些国家就广泛开始了纤维加强沥青材料的应用研究,并形成了一些专利产品。德国通过对沥青混合料掺加纤维的研究和观测表明,掺加纤维可以改善沥青混合料的高温稳定性,疲劳耐久性,并且具有低温抗裂和防止反射裂缝的性能[1]。正是由于具有以上优良品质,纤维也被用在机场道面、桥面铺装、收费站等铺面中。美国、加拿大、德国等国采用木质素纤维混
自20世纪80年代以来,为适应现代重载交通对路面材料性能要求提高的特点,欧美一些国家就广泛开始了纤维加强沥青材料的应用研究,并形成了一些专利产品。德国通过对沥青混合料掺加纤维的研究和观测表明,掺加纤维可以改善沥青混合料的高温稳定性,疲劳耐久性,并且具有低温抗裂和防止反射裂缝的性能[1]。正是由于具有以上优良品质,纤维也被用在机场道面、桥面铺装、收费站等铺面中。美国、加拿大、德国等国采用木质素纤维混凝?#21015;?#31569;了大量高速公路及其它重交通公路。
 
1、纤维吸湿、吸油性:
 
纤维的吸湿性主要取决于纤维的材质。若纤维的吸湿性很大,外界的水分较容易侵入,会使纤维沥青界面产生?#36136;?#19982;湿胀,降低混合料的水稳性,所以纤维吸湿性不易过大。木质素纤维和矿物纤维吸湿性体积膨胀明显,可以捏出水分,纤维颜色加深,说明木质素纤维和矿物纤维易吸收水份,使用前应保管好避免雨淋。
 
吸油性指标反映了纤维对沥青的吸附能力[2]。作了浸润时间为5min与60min的吸油率对比试验。结果表明,浸润时间对吸油?#22987;?#20046;没有影响,这说明除界面的吸附等作用外,纤维对矿物油的吸收作用不明显。
 
2、纤维与沥青粘附性:
 
粘附性反映了纤维沥青胶浆的水稳定性及纤维约束裂?#35780;?#23637;、约束材?#32420;?#25955;的能力。测定在沸水中煮30min[3]后纤维上的残留沥青百分率,木质素为99%,矿物纤维约93%,而石灰石只有约85%,由此看出,纤维具有较强的粘附沥青能力,增强沥青混合料的水稳定性和抗剥离能力。
 
3、网蓝析出?#28201;?/div>
 
各种纤维的吸持沥青效果与环境温度有关。温度高时,沥青膜薄,粘度降低,纤维材料的吸?#20013;?#26524;明显降低。若以140℃时纤维对沥青的吸持量为100%?#30130;?60℃时降至75%,170℃时仅70%。木质素纤维吸持沥青的能力表现出良好的效果,在140℃时,1g木质素纤维可以吸持10g沥青,在温度升高至170℃仍可吸持9g沥青,矿物纤维比木质素纤维?#22278;睿?#22312;140℃时,矿粉沥青胶浆全部?#28201;洌?#34920;明矿粉虽然表面积也较大,常温下可以粘附沥青,但是当沥青处于热熔流?#39318;?#24577;时,还是不能吸持沥青,表明纤维因其化学成分、构造和很大的比表面积,对沥青的吸附能力是很强的,纤维对沥青的吸持作用明显优于矿粉。
 
4、水稳定性:
 
木质素纤维质地疏松,表面粗糙,成多孔性,多侧向分枝;沥青中酸性树脂组?#36136;?#19968;种表面活性物质,它在木质素纤维表面产生的物理浸润、吸附甚至化学键作用,使沥青?#23454;?#20998;子状排列在木质素纤维表面,形成结合力牢固的“结构沥青”膜,它比薄膜以外的自由沥青粘性大,耐热性好;同时,由于木质素纤维的吸附及吸收作用,混和料沥青用量增加,能使结构沥青膜增厚65%~113%[4];木质素纤维及?#28210;?#22260;结构沥青一起裹覆于集料表面,使沥青膜厚度及性质都发生变?#21462;?#36739;厚的沥青膜减慢了沥青老化速率,从而可长时间地维?#21046;?#31896;附性,降低了水对沥青与集料的浸蚀破坏作用,增强了沥青混和料抵抗水损害的能力,使混合?#32420;?#31283;定性增强。
 
5、高温稳定性:
 
木质素纤维在沥青基体内的分布是三维随机的。由于截面纤细,使得木质素纤维掺量不大的沥青基体内木质素纤维数目却相当大,形成纵横交织的空间网络。一方面,裹覆在木质素纤维上的“结构沥青”网,增大了结构沥青比例,减薄了自由沥青膜,使木质素纤维沥青胶浆粘性增大,软化点上升,高温稳定性大幅提高;另一方面,纵横交织的木质素纤维在混合料中无定向分布?#19968;?#30456;搭接,形成的木质素纤维骨架结构网,起到“链桥”作用,使混合料具有较高强度与劲度,增强了弹性?#25351;矗?#20943;缓了车辙的加深速度,极大的改善了混合料的高温抗车辙性能。
 
6、低温抗裂性:
 
采用低温弯曲破坏评价低温抗裂性。0℃弯曲应变越大,反应出混合料破坏时所需能量越大,则低温时混合料抵抗收缩拉应变的能力越强,低温抗裂性越好[3]。首先,木质素纤维的加入使混合料的最佳沥青用量增加,这本身就增加了混合料的延展性,改善了混合料?#26408;?#24230;模量;其次,与木质素纤维良好的物化性能有关,木质素纤维在低温[5]并不变硬、变脆,?#22987;?#31563;作用使混合料具有了较好的柔韧性,提高了混和料低温应?#28210;擔坏?#19977;,互相搭接的木质素纤维又提高了混合料的抗拉强度?#28784;?#27492;,混合料的低温抗裂性得到改善。
 
7、疲劳耐久性:
 
疲劳破坏的过程,首先是在结构的某个部位开始产生微小裂?#30130;?#35010;纹起点为疲劳源,对沥青混合料,荷载、温度及内部不均匀结点的存在是其产生疲劳源的主要因素。当材料受荷载作用时,裂纹尖端发生应力集中,裂?#35780;?#23637;;当裂纹尺寸达到临界值时,就出?#36136;?#31283;扩展,材料出现较大的裂纹直至断裂破坏。一方面,由于三维随机各向木质素纤维阻滞了裂纹的扩展,吸收和消耗了部分混合料断裂所需要的能量,减缓了亚临界扩展,增加了弹性?#25351;矗?#21478;一方面,裂?#21697;?#23637;时,木质素纤维会使裂纹转向或岐化,减慢裂缝产生的速率,?#26144;?#26448;料失稳扩展、断裂出现的时间?#28784;?#27492;,木质素纤维可以减少裂缝的出现,提高路面的疲劳耐久性。
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