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棉纖維瀝青混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

2022-11-08 05:32王紅梅高濤濤王麗英
中外公路 2022年4期
關(guān)鍵詞:棉纖維抗壓力學(xué)性能

王紅梅, 高濤濤, 王麗英

(1.重慶能源職業(yè)學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院, 重慶市 402260;2.重慶工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 重慶市 400056;3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶市 400074; 4.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院 土木工程系,重慶市 400072)

根據(jù)2021年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示,2021年末中國(guó)公路總里程528.07萬(wàn)km,比2020年末增加8.26萬(wàn)km。公路密度55.01 km/100 km2,增加0.86 km/100 km2。公路養(yǎng)護(hù)里程525.16萬(wàn)km,占公路總里程比重的99.4%??梢?jiàn),中國(guó)目前處于道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大開(kāi)發(fā)階段。然而,道路瀝青混凝土在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)磨損、開(kāi)裂等現(xiàn)象導(dǎo)致力學(xué)性能降低,嚴(yán)重威脅到道路的使用壽命。因此,改進(jìn)和優(yōu)化瀝青混凝土的力學(xué)性能十分必要[1-11]。

目前,對(duì)于瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化已有不少學(xué)者開(kāi)展過(guò)研究。曹景等[12]為提高混凝土的抗凍性,開(kāi)展了棉纖維改善混凝土的抗凍性能研究,并得到了棉纖維的最佳配合比;羅倩[13]為改善大空隙瀝青混合料的路用性能,提出使用玄武巖纖維對(duì)大空隙瀝青混合料進(jìn)行改性的技術(shù)方案,得出玄武巖纖維的最佳摻量為0.25%;林增華等[14]研究聚丙烯纖維和玻璃纖維格柵組合對(duì)瀝青混凝土抗裂性能的影響規(guī)律,確定了有利于阻止瀝青混凝土開(kāi)裂的最佳纖維組合形式;王慧穎等[15]在瀝青混合料中加入碳纖維和微膠囊相變材料,研究了微膠囊相變材料摻量和油石比對(duì)瀝青混合料電阻率和融雪去冰效果的影響;宋文佳[16]在瀝青混合料中添加聚丙烯纖維,研究了聚丙烯纖維和玻璃對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響。

以上研究多局限于纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的優(yōu)越性進(jìn)行比較,沒(méi)有系統(tǒng)研究棉纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。此外,棉纖維材料作為一種新型纖維材料被廣泛應(yīng)用于材料工程領(lǐng)域,但是在瀝青混凝土中應(yīng)用較少?;诖耍撐拈_(kāi)展棉纖維瀝青混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究,提出高性能瀝青混凝土配合比方法,探究棉纖維摻量對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性能的影響。

1 材料與方法

(1) 瀝青。試驗(yàn)選用鎮(zhèn)江某公司生產(chǎn)的140#軟質(zhì)瀝青,其基本性能如表1所示。

表1 瀝青基本性能

(2) 集料。粗集料和細(xì)集料均為重慶市某混凝土有限公司生產(chǎn),其中粗集料的密度約為2.93 g/cm3,吸水率約為0.92%,粒徑范圍為5~15 mm;細(xì)集料的密度約為2.83 g/cm3,吸水率約為1.12%,粒徑范圍為0~5 mm。

(3) 棉纖維。試驗(yàn)選用上海某棉纖維公司生產(chǎn)的棉纖維,其直徑約為6 μm、長(zhǎng)度為12 cm、密度約為140 kg/m3,如圖1所示。

圖1 棉纖維試樣

(4) 試驗(yàn)方法。將上述材料進(jìn)行混合攪拌后,分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)、抗壓試驗(yàn)、抗彎曲試驗(yàn)和抗凍融試驗(yàn)。其中車轍試驗(yàn)采用HYCZ-2型車轍試驗(yàn)儀,將試塊直接放入裝置中,得到棉纖維瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性變化規(guī)律;抗壓試驗(yàn)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》方法進(jìn)行測(cè)試;抗彎曲試驗(yàn)采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),將瀝青混凝土試塊放入其中測(cè)試抗拉破壞的能力;抗凍融試驗(yàn)采用馬歇爾試驗(yàn)儀和冷凍箱,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JTJ 052—2000方法進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 車轍試驗(yàn)

分別以不摻棉纖維和摻入比例為1%、4%、7%的棉纖維瀝青混凝土進(jìn)行車轍試驗(yàn),得到穩(wěn)定度如圖2所示。

圖2 棉纖維摻量與混凝土穩(wěn)定性的關(guān)系

從圖2可以發(fā)現(xiàn):棉纖維的摻入對(duì)瀝青混凝土穩(wěn)定度有著明顯的改善。這是因?yàn)槊蘩w維混凝土是一種復(fù)合彈性材料,當(dāng)瀝青含量較多時(shí)即棉纖維摻量為0%,過(guò)多的瀝青會(huì)加大混凝土礦料間的空隙,使得礦料間的內(nèi)阻力下降,導(dǎo)致穩(wěn)定度下降。隨著棉纖維比例增加即瀝青含量減少,棉纖維瀝青混凝土的穩(wěn)定度逐漸增加。但增加到一定程度時(shí),瀝青混凝土的穩(wěn)定度反而開(kāi)始逐漸下降,這是因?yàn)楫?dāng)棉纖維摻量增加時(shí)瀝青含量逐漸減少,則混凝土中礦料不能夠被瀝青完全裹住,導(dǎo)致顆粒間的黏結(jié)力減小,進(jìn)而導(dǎo)致穩(wěn)定度減弱[17]。從圖2可以得出,當(dāng)摻入4%的棉纖維時(shí)其穩(wěn)定度比不摻棉纖維時(shí)增長(zhǎng)了約34.8%(玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土穩(wěn)定度的增長(zhǎng)率只有8%[18])。

2.2 抗壓試驗(yàn)

瀝青混凝土主要依附于路床上,因此其本身不需要足夠的強(qiáng)度來(lái)承受荷載。但為了保護(hù)路床不直接承受車輛荷載的摩擦力,因此仍需要一定的強(qiáng)度維持路基的整體性。分別以不摻棉纖維和摻入比例為1%、4%、7%的棉纖維瀝青混凝土進(jìn)行抗壓試驗(yàn),得到抗壓強(qiáng)度變化曲線和抗壓模量變化曲線,如圖3所示。

圖3 抗壓性能與棉纖維摻量的關(guān)系

從圖3可以得知:當(dāng)棉纖維含量增加時(shí),瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加后降低,而抗壓模量則一直增加。出現(xiàn)上述情況是因?yàn)槊蘩w維含量為0時(shí),過(guò)多的瀝青會(huì)形成自由瀝青,由于其具有流動(dòng)性從而會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的抗壓強(qiáng)度降低;而當(dāng)棉纖維含量增加即瀝青含量減少,使得自由瀝青減少,從而提高了瀝青混凝土的強(qiáng)度;但隨著棉纖維含量逐漸增加,會(huì)導(dǎo)致混凝土礦料表面缺少瀝青包裹,黏結(jié)力下降,進(jìn)而使得強(qiáng)度降低[19]。而對(duì)于抗壓回彈模量來(lái)說(shuō),隨著棉纖維含量的增加即瀝青含量的降低,抗壓模量會(huì)逐漸增加。因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí),可以適當(dāng)提高棉纖維的用量,使得抗壓模量增加。從圖3可以得出,當(dāng)摻入4%的棉纖維時(shí)其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了約21.6%,與鋼纖維瀝青混凝土中摻入2%的鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高比例相似[20]。

2.3 抗彎拉試驗(yàn)

由于瀝青混凝土材料對(duì)溫度的敏感度較大,在不同溫度下會(huì)呈現(xiàn)不同的力學(xué)性能,得到不同溫度下棉纖維混凝土抗彎拉試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度與棉纖維混凝土抗彎拉強(qiáng)度的關(guān)系

由圖4可見(jiàn):當(dāng)溫度增加時(shí)抗彎拉強(qiáng)度逐漸增加,棉纖維含量增加時(shí)抗彎拉強(qiáng)度也逐漸增加,但溫度對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響比棉纖維摻量對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響大。這是因?yàn)槔w維瀝青混凝土在溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮變形,其上下表面會(huì)出現(xiàn)溫度差,從而形成溫度應(yīng)力,混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致其抗彎拉能力下降[21]。相對(duì)于棉纖維摻量為0%的瀝青混凝土,由于棉纖維的加筋作用會(huì)提高混凝土的抗彎性能。但對(duì)比棉纖維摻量4%和7%的混凝土,可知當(dāng)棉纖維摻量在一定范圍時(shí),混凝土的抗彎拉強(qiáng)度會(huì)逐漸增加,而過(guò)高含量的棉纖維混凝土的抗彎效果不大,甚至可能出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。從圖4可以得出,當(dāng)摻入4%的棉纖維時(shí)其在-20 ℃下抗彎拉強(qiáng)度增長(zhǎng)了約42.6%、其在20 ℃下抗彎拉強(qiáng)度增長(zhǎng)了約49.4%。這一提高比例與其他纖維瀝青混凝土相比,如竹纖維瀝青混凝土,其竹纖維對(duì)瀝青混凝土抗彎拉強(qiáng)度的提高比例要低于該文的棉纖維混凝土[22]。

2.4 抗凍融試驗(yàn)

將試樣放入-16 ℃的冷凍箱冷凍16 h,隨后放入28 ℃的恒溫箱中2 h。最后將試樣放入馬歇爾試驗(yàn)儀中進(jìn)行測(cè)試,測(cè)得4種樣品的抗拉強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 棉纖維摻量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

由圖5可見(jiàn):經(jīng)過(guò)凍融試驗(yàn)后混凝土的抗拉強(qiáng)度均會(huì)下降,并且隨著棉纖維摻量的增加混凝土的抗拉強(qiáng)度也在增加,但增加到一定程度時(shí)抗拉強(qiáng)度反而會(huì)出現(xiàn)下降。從微觀上分析棉纖維會(huì)和瀝青形成一空間結(jié)構(gòu),使得混凝土集料形成穩(wěn)固密實(shí)的整體,棉纖維的摻入能夠提高混凝土的抗水性能,從而提高抗拉強(qiáng)度[23]。而普通混凝土由于其防水性能不佳,水會(huì)滲透至混凝土中的空隙,凍融后產(chǎn)生壓力破壞混凝土結(jié)構(gòu)。從圖5可以得出,當(dāng)摻入4%的棉纖維時(shí)其抗凍融性能增長(zhǎng)了約48.8%。這一提高比例與其他纖維瀝青混凝土相比,如玻璃纖維瀝青混凝土、木質(zhì)素纖維瀝青混凝土,其玻璃纖維和木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青混凝土抗凍性能提高性能與棉纖維相似,但木質(zhì)素纖維的價(jià)格會(huì)高于棉纖維[24]。

3 結(jié)論

通過(guò)在瀝青混凝土中添加棉纖維,制備出棉纖維瀝青混凝土,通過(guò)試驗(yàn)分析研究,得出以下結(jié)論:

(1) 隨著棉纖維比例的增加即瀝青含量減少,棉纖維瀝青混凝土的穩(wěn)定度逐漸增加。但增加到一定程度時(shí),穩(wěn)定度逐漸減少。

(2) 當(dāng)溫度增加時(shí)抗彎拉強(qiáng)度逐漸增加,棉纖維含量增加時(shí)抗彎拉強(qiáng)度也逐漸增加,但棉纖維的影響沒(méi)有溫度的影響大。

(3) 經(jīng)過(guò)凍融試驗(yàn)后混凝土的抗拉強(qiáng)度均會(huì)下降,并且隨著棉纖維摻量增加混凝土的抗拉強(qiáng)度增加,但增加到一定程度時(shí)抗拉強(qiáng)度反而下降。

(4) 根據(jù)該文試驗(yàn)得出棉纖維含量為4%時(shí),棉纖維瀝青混凝土力學(xué)性能最佳。

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