柔性基層瀝青混合材料結構力學性能研究

閆偉

天津市地下鐵道集團有限公司 天津 300300

摘要：通過將纖維材料添加到瀝青混合料中形成一種纖維柔性路基新型材料，與普通材料相比，具有較強的劈裂強度。試驗表明，劈裂強度隨著添加纖維的長細比增大而減小，合理的纖維摻量在1‰到2‰之間，聚丙烯纖維材料提高材料劈裂強度效果顯著。總之，纖維級配碎石材料增加路面整體抵抗層底拉應力的能力，提高道路承載力抗車轍性能從而延長道路使用壽命。

關鍵詞：纖維；級配碎石；劈裂強度

1.前言

我國公路建設正處在一個大規模建設高等級公路的發展時期，大交通量和重載車輛的日益增多，必然對公路路面結構的強度和穩定性提出更高的要求。幾十年來公路建設一直采用的半剛性瀝青路面基層存在收縮開裂、滲水性差、對重載車具有更大的軸載敏感性等缺點，這已經引起國內外研究人員的高度重視。

瀝青混合材料就是將纖維隨機地分布于混合料中所組成的一種纖維型與顆粒型的復合材料，它是一種非常有潛力的·路面材料。通過理論分析和試驗對比，對纖維級配碎石的主要力學性能進行了研究，表明纖維級配碎石柔性路面材料，同傳統半剛性基層相比，增加路面整體抵抗層底拉應力的能力，可以較有效的防止反射裂縫的產生，提高道路承載力抗車轍性能從而延長道路使用壽命。

2.瀝青混合材料力學性能分析

通過添加抗拉強度和彈性模量較高的纖維材料，纖維復合后的材料抗拉強度和承受動荷載的能力都會得到不同程度的提高。影響纖維增強混合料性能的主要因素有：纖維的摻量、種類、長徑比以及纖維在混凝土中是否均勻分布等。

2.1劈裂強度分析

良好的基層材料必須具備一定的抗拉強度，而劈裂強度就是衡量抗拉強度的指標。試件采用振動成型法成型成高和直徑均為150mm的圓柱形試件，劈裂強度試驗方法按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）中的T0806—1994進行。將試件放到路面材料強度試驗儀的升降臺上，使試件的形變以約1mm/min的等速率增加進行劈裂強度試驗。試件的劈裂強度按下式計算：

（式1）

式中：——試件破壞時的最大壓力（kN）；

——試件高度（mm）。

2.1.1 纖維長細比及摻量對劈裂強度的影響

摻加纖維的拌和工藝流程為，混合料按照常規方法制備，在添加水之前，先將按比例摻配好的粗細集料混勻，然后加入定量的纖維干拌，直至纖維均勻分布再加水進行濕拌。成型好的圓柱試件，不需要像水泥穩定碎石那樣進行養生，立即放在路面材料強度儀上進行劈裂試驗。根據劈裂強度的大小優化纖維的尺寸和長度以及摻量。

選擇的纖維種類為塑料繩纖維，直徑固定，長度分別取1cm、3cm、5cm、7cm，纖維的摻量（質量比）定為0‰、1‰、2‰、3‰、4‰，共計五種摻量。首先測定不加纖維的普通級配碎石的劈裂強度，以空白試件作為基準，然后再進行同一種級配，同一含水量下摻加不同纖維的級配碎石劈裂強度的平行試驗，試驗結果見圖1。

圖1纖維級配碎石不同長細比及摻量劈裂強度對比圖

通過圖1的比較，可以看出對于摻加纖維的級配碎石，纖維尺寸不變時，隨著纖維摻量的增加，劈裂強度隨之先增大后減小。添加纖維能夠提高級配碎石整體的抗變形能力，尤其是受拉破壞的抵抗能力可以明顯提高，摻量在千分之一到千分之二之間范圍內較為合理。

將圖1中相同的摻量下，不同纖維尺寸級配碎石的劈裂強度進行對比，可以看出尺寸越小，劈裂強度越大，纖維尺寸越小，其在混合材料中分布越趨于均勻，和易性越好，能較好的發揮其抗拉能力，從而提高材料的整體抗變形能力。

2.1.2不同種類纖維的對比

目前通常國內外通常采用的纖維材質主要有聚丙烯纖維、聚酯纖維、木質素纖維，在纖維摻量在1‰條件下進行劈裂強度試驗對比，結果在表2中。

表1 摻加纖維后的劈裂強度試驗結果

編號 不加纖維 纖維1號 纖維2號 纖維3號 纖維4號 纖維5號

纖維類型 - 聚丙烯纖維 聚酯纖維 聚丙烯纖維 常見普通纖維 木質素纖維

劈裂強度平均值（kPa） 14.2 18.4 17.2 21.3 16.5 14.8

通過多次反復試驗求得的劈裂強度平均值，從表1中可以看出，相同級配相同混合料相同成型方式，同一時間條件下，無論是哪種纖維，摻加1‰的纖維的級配碎石混合料的劈裂強度均大于不摻加纖維的劈裂強度。相同摻量下，對于改善級配碎石力學性能來說，摻加聚丙烯纖維材料劈裂強度能提高50%。當微裂縫向細裂縫發展的過程中，必然碰到多條不同向的微纖維，由于纖維的抗拉強度遠大于級配碎石基體的強度，以及纖維與級配碎石較好的粘結力，所以在裂縫的進一步擴展過程中，由于纖維與級配碎石的相對位移消耗了能量，降低了應力水平，使得裂縫擴展收到了限制，進而使得纖維級配碎石的抗拉強度有明顯的提高。

3.結論

（1）纖維級配碎石作為一種新型路基材料，與半剛性基層相比有明顯的優點。通過理論分析和試驗對比，對纖維級配碎石的主要力學性能進行了研究，表明纖維級配碎石柔性路面材料，具有較強的劈裂強度和抗剪切性能，同傳統半剛性基層相比，增加路面整體抵抗層底拉應力的能力，可以較有效的防止反射裂縫的產生，提高道路承載力抗車轍性能從而延長道路使用壽命。

（2）對于摻加纖維的級配碎石，纖維尺寸、摻量和種類都對其劈裂強度有一定影響。纖維尺寸不變時，隨著纖維摻量的增加，劈裂強度隨之先增大后減小，纖維的摻量在千分之一到千分之二之間范圍內較為合理；相同的摻量下，纖維尺寸尺寸越小，劈裂強度越大，也就是說較小尺寸的纖維對于改善級配碎石抗拉性能效果最為顯著。

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