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玄武岩纤维对沥青混合料性能影响机理的研究

赵丽华  
【摘要】:我国沥青路面大修周期较短,提高沥青路面的服务质量和使用寿命是目前研究工作的重点。研究人员从改善材料的基本性能入手进行了大量研究,其中添加纤维改善沥青混合料性能以其效果明显和施工易行得到了普遍认可。 玄武岩纤维在沥青混合料中应用时间较短,是一种新型的矿物纤维。其强度高,模量大,耐高温、不老化、化学性质稳定,具有较大的开发潜力和广泛的工程应用前景。本文结合玄武岩纤维性能、纤维沥青胶浆性能、纤维沥青混合料性能、纤维沥青混合料断口宏、细观形貌特征及玄武岩纤维沥青混合料低温黏弹性,分析了玄武岩纤维对沥青混合料性能的改善效果及机理。 本文主要工作如下: 1、玄武岩纤维性能研究 系统开展了玄武岩纤维耐高温性、吸湿性、与沥青的黏附性、耐酸碱性、灰分含量、吸油率的试验测试,并应用扫描电镜对玄武岩纤维的细观形貌进行分析,全面评价了用于热拌沥青混合料的玄武岩纤维性能。借鉴复合材料广义混合率理论,研究了玄武岩纤维的质量分数对沥青胶浆黏度的影响,证明弱相支撑黏度理论的适用性,阐明玄武岩纤维有增黏效果。 2、玄武岩纤维对沥青混合料性能影响研究 通过纤维沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、断裂能、疲劳性能、蠕变性能等室内试验,定量评价两种不同形态的玄武岩纤维对AC-16C型沥青混合料路用性能的改善效果,并分析玄武岩纤维对沥青混合料性能的改善机理。研究结果表明,玄武岩纤维棉(CBF纤维)能显著提高沥青混合料路用性能,短切玄武岩纤维丝(SCBF纤维)除对沥青混合料水稳定性改善效果不良外,对其他性能均呈现明显的增强效果。结合纤维沥青混合料的性能及机理分析,证实玄武岩纤维的pH值及其与沥青黏附性对改善沥青混合料性能具有重要影响,建议我国规范增加相应技术指标要求。 3、玄武岩纤维沥青混合料断口宏、细观形貌分析 采用断口形貌学的分析方法,对沥青混合料试件断口宏、细观形貌特征进行分析,讨论了沥青混合料力学性能与断口形貌的关系,进一步分析了玄武岩纤维增强沥青混合料力学性能的改善机理。 宏观断口分析研究表明,掺加玄武岩纤维后,沥青混合料内部空洞减少,提高了集料断口、界面脱胶断口的比例,从而提高了沥青混合料的抗裂性能。细观分析证实,玄武岩纤维为亲油性材料;在沥青混合料中,纤维搭接于微裂纹两侧,改善了局部缺陷,增强了整体性。SCBF纤维在混合料中分散不均,有局部成团现象,可能因沥青裹附不足而成为试件的薄弱环节,从而影响混合料的整体强度和稳定性。 分析玄武岩纤维在沥青混合料断口处的形貌特征,本文提出了“强度薄弱区”的概念,认为在纤维与沥青黏结界面区和自由沥青之间存在着不稳定的沥青层,当外力产生的拉应力方向与纤维方向相同时,纤维将从该强度薄弱区拔出。 4、玄武岩纤维沥青混合料黏弹性及数值模拟分析 基于沥青混合料常温及低温条件下的弯曲蠕变试验,通过数据拟合获得了适合玄武岩纤维沥青混合料的蠕变模型参数,证明模型的适用性,并揭示了玄武岩纤维改善沥青混合料低温抗裂性能的机理。采用时间硬化模型,实现了ABAQUS软件对小梁弯曲蠕变试验的数值模拟分析。


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