矿物纤维在沥青混合料中应用的理论与实践探讨

矿物纤维在沥青混合料中应用的理论与实践探讨矿物纤维在沥青混合料中应用的理论与实践探讨一．为何(玄武岩)矿物纤维最适合沥青?二.提高高温抗车辙变形能力三．提高低温抗裂能力四.提高抗水损害能力五.提高疲劳寿命六.矿物纤维的工程应用一．为何(玄武岩)矿物纤维最适合沥青?——纤维应具备的基本条件1）耐高温性能：2）与沥青有很好的表面亲和力：3）很好的分散性：4）优秀的耐化学腐蚀性：5）优良的抗老化性能：6）防水浸蚀且不吸水：7)高的抗拉强度.各种纤维的力学性能纤维种类抗拉强度(Mpa)弹性模量(Gpa)延伸率(%)矿物纤维2500-350090-1103.2钢纤维800-1000170-1904-5木质素纤维30030-4015-20聚脂纤维~50030-4015-30聚丙烯晴纤维~70030-408-12结论:矿物纤维具有最好的力学性能,是沥青理想的‘增强增韧’纤维.各种纤维的物理化学性能纤维种类熔点吸湿性与沥青的粘附力耐酸碱性耐老化性（oC）（%）矿物纤维16000.1好很好很好钢纤维~11000差一般好木质纤维25012-15好差差聚脂纤维2502.0一般好差聚丙烯晴2502.0一般好差结论:矿物纤维具有优良的物理化学性能，是符合沥青路用性能要求的理想纤维。各种纤维的耐高温性能木质素纤维200oC烘箱老化情况各种纤维的耐高温性能聚脂纤维200oC烘箱老化情况各种纤维的耐高温性能美国(FIBERAND)矿物纤维200oC烘箱老化情况各种纤维的耐高温性能聚脂纤维在沥青中200oC回炉前后变化情况各种纤维的耐高温性能木质素纤维在沥青中200oC回炉前后变化情况各种纤维的耐高温性能矿物纤维在沥青中200oC回炉前后变化情况各种纤维对沥青低温性能的影响注意：木质素纤维及聚脂纤维降低了沥青韧性矿物纤维增大了沥青韧性各种纤维—沥青的表面粘附力二．提高高温抗车辙变形能力粘弹性力学理论基础：G*(ω)=G'(ω)+iG''(ω)式中G'(ω)=ηω2λ/(1+ω2λ2)=Gω2λ2/(1+ω2λ2)G''(ω)=ηω/(1+ω2λ2)λ=η/G抗车辙变形能力—复数剪切模量—粘度，弹性模量，作用时间二.提高抗车辙变形能力1.增加弹性模量——复合材料细观力学原理G=Gm（1-Vf）+GfVf1）与纤维加入量成线性正比关系；2）与纤维弹性模量成线性正比关系。二.提高抗车辙变形能力2.增加粘度——爱因斯坦粘度原理•ηC=ηm(1+KEVf)纤维沥青有效粘度的提高取决于：1）纤维加入量大小；2）纤维—沥青表面粘合力；3）长径比；讨论：1）“增粘因子”与温度无关——与改性剂的比较；2）木质素纤维“吸油”的误解。爱因斯坦系数KE与纤维长径比(l/d)的关系SMA掺纤维的原始目的：增大沥青膜厚度嵌挤结构的力学特点：优势：高温抗变形能力强劣势：低温抗裂能力差抗水损害能力差疲劳耐久性差悬浮结构与嵌挤结构级配密级配的粗集料骨架嵌挤结构(SMA)的粗集料骨架“StoneonStone”ContactSMA值得探讨的问题：集料问题洛杉矶磨耗值与flatness/elongation比值的关系SMA值得探讨的问题：集料问题SMA路面集料破碎情况(级配变化)的分析结果CoarseGradationsConventionalGradationsEqualAirVolumes(%VTM)-FinerGradation-SmallerSizedVoids-(Lesschanceforinter-connectedvoids)-CoarserGradation-LargerSizedVoids-(morechanceforinter-connectedvoids)SMA值得探讨的问题：渗水问题相同空隙率下嵌挤结构混合料更容易形成相互连通的空隙SMA值得探讨的问题：纤维问题SMA纤维稳定剂的辨别标准：表面粘附力木质素纤维中空管吸油及其误解：1）增大沥青用量不等于增大沥青膜厚度（SMA掺纤维的原始目的：增大沥青膜厚度）2）中空管吸入的沥青为无效沥青，增大了成本3）中空管吸入的沥青不利于沥青路面的高温性能矿物纤维SMA的视觉观察（与木纤不同）沥青问题：改性沥青—“合金化”的局限性关于加入量：1）受沥青溶解度的严格限制2）受拌合施工的限制关于效果：1）增大粘度：ηG=ηm{1+CoK(T)Mα(T)}增粘因子随温度升高而急剧降低2）提高强度：作用有限3）提高韧性：非常困难（甚至起负面作用）改性剂与纤维的增粘因子比较纤维与沥青改性对粘度影响的对比(SMA析漏率试验)纤维与沥青改性增粘增弹原理的区别说明：与沥青改性相比，掺加矿物纤维的沥青混合料的高温温度敏感性小，更适合夏季炎热地区解决高温车辙变形问题。矿物纤维显著提高高温抗车辙变形能力福倍安矿物纤维在AK-13A中的车辙试验结果增弹增粘效果与纤维加入量成正比关系.矿物纤维显著提高高温抗车辙变形能力福倍安矿物纤维与木质素纤维在SMA-13中的对比试验说明：1）木质素纤维与聚脂纤维提高高温抗车辙能力相当；2）矿物纤维比木质素纤维及聚脂纤维的高温动稳定度约高30-50%，变形速率约降低50-100%。矿物纤维显著提高高温抗车辙变形能力SMA-16沥青混合料车辙变形速率对比试验:(与木纤相比,福倍安矿物纤维约降低变形速率50%)矿物纤维显著提高高温抗车辙变形能力SMA沥青混合料车辙变形速率对比试验:(与木纤相比,约提高动稳定度50%)三.提高低温抗裂能力复合材料细观力学原理:提高强度σcu=σfuVfCo/K+σ'mu(1-Vf)1）与纤维强度成线性正比关系；2）与纤维加入量成线性正比关系；3）关于聚脂等有机类纤维——为何不适合沥青？三.提高低温抗裂能力复合材料细观力学原理：提高韧性1）残余应变引起的裂纹尖端应力集中因子降低量：∆K≈-0.48GVfγiiH1/2/(1-υ)2）显微裂纹的“增韧”效果：∆K1≈-0.40GθTH1/23）显微裂纹导致材料软化产生的增韧效果：∆K2/K≈1.42N“增韧”效果：与纤维加入量线性成正比关系纤维的“增强”“增韧”原理美国(FIBERAND)矿物纤维在沥青膜中的分布—沥青膜电子显微镜照片矿物纤维显著提高低温抗裂能力AK-13A混合料冻融劈裂试验增强效果与纤维加入量成正比关系.矿物纤维显著提高低温抗裂能力在AK-13A混合料中低温弯曲试验结果增强增韧效果与纤维加入量成正比关系矿物纤维显著提高低温抗裂能力说明：与聚脂纤维相比，掺加矿物纤维的沥青混合料的低温抗裂能力提高50%以上。路面反射裂缝问题与解决方案路面反射裂缝的技术解决方案四.提高抗水损害能力抗水损害能力=低温抗裂能力+高温抗车辙变形能力微裂纹造成水损害沥青迁移造成水损害“剪切法向应力”与“沥青爬杆迁移”现象剪切法向应力与“沥青爬杆迁移”现象对于粘弹性体，剪切应力可以产生法向应力:N1=σxx–σyy=Aγ'2+O(γ'4)N2=σyy–σzz=Bγ'2+O(γ'4)在一定剪切速率范围内，第一法向应力具有幂律行为：N1=Aγ'm法向应力—“沥青爬杆迁移”（Weissenberg效应）—改变沥青的原始分布状况—路面离析美国(FIBERAND)矿物纤维有效提高抗水损害能力抗水损害能力与矿物纤维的添加量成正比关系五.提高疲劳寿命连续力学损伤原理:1)与混合料抗拉强度成指数正比关系2)与载荷应力成指数反比关系纤维是提高疲劳耐久性最有效的手段矿物纤维大幅提高疲劳寿命纤维/混合料不掺纤维木质纤维聚脂纤维矿物纤维AC疲劳寿命10.9-1.1~2~20SMA疲劳寿命12.5-3.03.0-3.5~30掺加福倍安矿物纤维沥青混凝土的疲劳方程:50%可靠度:Nf=2.4918×1024ε-6.636590%可靠度:Nf=1.2596×1023ε-6.246795%可靠度:Nf=5.3759×1022ε-6.1456说明：1)木质素纤维与聚脂纤维对沥青混合料疲劳寿命的改善不大;2)矿物纤维提高沥青混合料疲劳寿命可高达2个数量级。美国(FIBERAND)矿物纤维提高疲劳耐久性的作用美国(FIBERAND)矿物纤维可提高疲劳寿命达两个数量级,而木质纤维与聚脂纤维不能或只能有限地提高混合料疲劳寿命。六.矿物纤维的工程应用美国(FIBERAND)矿物纤维在美国的应用概况被美国最早修建的SMA沥青路面采用(1991年):被美国99%的OGFC及55%以上的SMA路面采用;被美国40多个州广泛采用;乔治亚州曾于1994年规定:所有州际公路一律采用;对乔治亚州的交通事业发展做出了重要贡献：乔治亚州已经连续多年被美国联邦公路总署（FHWA）评为建有全美最佳州际公路的州，在21133英里的州际公路中只有42英里即0.2%的路况不好。美国(FIBERAND)道路专用矿物纤维Mineral400:1美国(FIBERAND)矿物纤维在中国的应用在AK中的应用:广东粤赣高速,湛江海湾大桥等在AC中的应用:株洲外环高速(桥面)河南京珠高速(维修),安林高速在Superpave应用:内蒙208线等在SMA中的应用:山东滨大高速河北张石高速湖北京珠高速(维修)长沙,重庆等钢桥桥面铺装等矿物纤维的拌合与施工1.自动风送纤维被机械自动打散，风力将打散的矿物纤维送入拌合机的拌合锅中(纤维的喷入口靠近沥青加入口)。风送纤维完成后即喷入沥青湿拌。干湿拌总时间55-60秒。2.手工添加预先将矿物纤维称重包装，与集料同步投入进行干拌。干拌时间增加5秒,湿拌时间增加10秒。FiberandBlowingMachineSystemscanberentedorpurchasedFiberfeedcontrolsaretiedtoasphaltmeterKeepfiberbalesdryMakesurethefiberisbeingdispersedinthemix.KeepFibersDry!FiberHopper~LooseMonitorLooseFiberIntroduction矿物纤维沥青路面表面构造与外貌请参考:刘立新著沥青混合料粘弹性力学及材料学原理人民交通出版社2006.3.