纖維在瀝青混凝土優(yōu)化中的應(yīng)用

重慶交通大學(xué) 400074

摘要：近年來的研究表明，發(fā)展纖維瀝青混凝土是提高高性能瀝青混凝土質(zhì)量的重要途徑。纖維瀝青混凝土通常是瀝青混凝土為基材，以非連續(xù)的短纖維或者連續(xù)的長(zhǎng)纖維作增強(qiáng)材料所組成的水泥基復(fù)合材料，主要作用是通過橋接作用來限制圍觀裂縫的發(fā)展，從而改善混凝土的性能。通過研究普通及纖維瀝青混合料各項(xiàng)路用性能及力學(xué)性能，表明添加纖維能顯著改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性能，并且能有效增加混合料的整體性與柔韌性。

關(guān)鍵詞：瀝青混凝土；纖維；阻裂

纖維瀝青混凝土路用性能力學(xué)性能橋面鋪裝施工隨著我國(guó)公路交通事業(yè)的發(fā)展，大跨徑橋梁逐漸增多，鋪裝層的質(zhì)量好壞和使用耐久性直接影響到行車的安全性、舒適性、橋梁的耐久性及投資效益。大跨徑橋梁的橋面鋪裝，往往因?yàn)榻煌看螅瑳]有替代的其他疏散道路而使得維護(hù)較為困難，所以，需要橋面鋪裝有較長(zhǎng)的使用壽命。

同時(shí)，對(duì)于道路而言也有相同的要求。目前，減少道路病害，提高道路壽命的研究為世界各國(guó)所重視。瀝青路面的設(shè)計(jì)大修期為15年，而目前我國(guó)的瀝青路面往往8年～10年就需要進(jìn)行檢修。以路面壽面30年計(jì)，資料表明這期間用于道路的維修費(fèi)用幾乎等于新建道路的投資。由此可見提高公路壽命，延緩檢修期至關(guān)重要。影響公路質(zhì)量重要的因素之一是路面損傷，其中最突出的變現(xiàn)為路面斷裂。

為了適應(yīng)現(xiàn)代交通對(duì)瀝青混凝土提出的越來越高的要求，就要對(duì)瀝青混凝土進(jìn)行優(yōu)化。采用纖維的瀝青混凝土可以有效減緩裂縫發(fā)展速度，延長(zhǎng)路面使用壽命，提高路面使用性能。初次之外，纖維的參加還可以顯著提高高溫穩(wěn)定性能，可用于橋面鋪裝、舊水泥混凝土路面罩面等。

此文在諸多纖維瀝青混凝土的研究基礎(chǔ)上，分析總結(jié)了纖維瀝青混凝土的作用。并且對(duì)纖維瀝青混凝土的阻裂機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)描述。

一、纖維在瀝青混凝土優(yōu)化中的作用

1、等同于混凝土中的配筋

瀝青混凝土是一種靠瀝青粘合在一起的散料組合體，可以認(rèn)為是不承受拉應(yīng)力的。在纖維瀝青混凝土中，纖維的作用等同于鋼筋混凝土中鋼筋的作用，即可承受拉應(yīng)力。纖維通過與骨料的嚙合作用，形成較大的摩擦角，同時(shí)加上瀝青膠漿的黏聚作用，將基本的拉應(yīng)力傳遞給纖維，并主要由纖維來承擔(dān)。纖維在混合料中以三維分散存在，起到了加強(qiáng)筋的作用，增加了瀝青與礦料的粘附性，提高了集料之間的粘結(jié)力。

2、提高瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性

纖維使瀝青膜處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，尤其是在夏天高溫季節(jié)，瀝青受熱膨脹時(shí)，纖維內(nèi)部的空隙將具有一定的緩沖作用，不至于使之成為自由瀝青而泛油，同時(shí)可以改善瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。

3、提高集料之間的粘結(jié)力

纖維可以提高瀝青的粘結(jié)力，增加瀝青與礦物的粘附性，通過油膜的粘結(jié)，提高集料之間的粘結(jié)力，從力學(xué)性能上看，表現(xiàn)為瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度的提高。

4、阻裂作用

近代膠漿理論認(rèn)為瀝青混凝土是以瀝青為唯一連續(xù)相的多級(jí)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散體系，因此瀝青的破壞將意味著結(jié)構(gòu)體系的破壞。但在纖維增強(qiáng)瀝青混凝土中，纖維網(wǎng)作為更為強(qiáng)大的第二連續(xù)相在瀝青破壞時(shí)仍能維持體系的整體性，將會(huì)在一定程度上阻止基本破壞的擴(kuò)展。通俗的來說，在瀝青混凝土破壞出現(xiàn)裂縫的時(shí)候，纖維連接在瀝青混凝土的內(nèi)部猶如一雙手牽制著裂縫的擴(kuò)展。

5、抗?jié)B、抗凍性能的提高

對(duì)于一些北方或者寒冷區(qū)域的路面以及橋面鋪裝，抗?jié)B、抗凍性能是瀝青混凝土的耐久性的重要指標(biāo)。其中纖維在混凝土中呈現(xiàn)三維亂向分布，使的混凝土材料失水面積有所減少，水分遷移較為困難，從而使毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力、吸附水和分子間力作用等有所減少?？梢云鸬阶钄嗷炷羶?nèi)毛細(xì)作用的效果，從而抗?jié)B效果提高；纖維加入到混凝土中后，混凝土中含有大量的亂向的細(xì)微纖維，增加了材料的抗裂性能，使得混凝土的抗?jié)B、抗凍性能得以提高。

二、纖維瀝青混凝土的阻裂機(jī)理

1、纖維間距理論

纖維間距理論是1963年由Romualdi.J.P和Batson.J.B提出的。該理論建立在線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為混凝土內(nèi)部有尺度不同的微裂縫、孔隙和缺陷，在施加外力時(shí)，孔、縫部位產(chǎn)生大的應(yīng)力集中引起裂縫的擴(kuò)散，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此，提高像混凝土一類脆性材料的抗拉強(qiáng)度，減少與縮小其裂縫源的尺度和數(shù)量，緩和裂縫尖端應(yīng)力集中程度，提高抑制裂縫引伸與發(fā)展的能力是至關(guān)重要的。

2、混合原理

將這一理論用于分析纖維增強(qiáng)或其他復(fù)合材料時(shí)大多是將復(fù)合材料視為多相體；對(duì)纖維混凝土的簡(jiǎn)化是以纖維為一相，以混凝土為一相的兩相復(fù)合材料，復(fù)合材料的性能為各相性能的加和值。

3、順向不連續(xù)纖維復(fù)合材料的理論模式

該理論假定在不連續(xù)纖維的復(fù)合材料中，纖維長(zhǎng)度一定，在基體中有規(guī)律地沿受力方向分布，荷載由基體通過基體和纖維的界面?zhèn)鬟f給纖維，由于纖維和基體在應(yīng)變上的差異將在纖維周圍沿著纖維軸向產(chǎn)生分布不均勻的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力是沿纖維兩端最大，當(dāng)中位零；拉應(yīng)力則相反。其間的粘結(jié)使得（剪應(yīng)力）基體中傳給纖維的力經(jīng)過一定的傳遞長(zhǎng)度后，才使纖維中的拉應(yīng)力達(dá)到恒定值。復(fù)合材料的破壞形態(tài)是纖維被拉斷。

4、亂向不連續(xù)纖維復(fù)合材料理論

這是當(dāng)今最常用的配纖方式，它與定向連續(xù)纖維復(fù)合材料相比最大的不同點(diǎn)是纖維的亂向分布和短尺度，因此，在分析亂向短纖維復(fù)合材料時(shí)，必須同時(shí)考慮纖維的取向、長(zhǎng)度及其與基體的界面粘結(jié)性狀。該理論需要同時(shí)考慮以下幾個(gè)參數(shù)，方向有效系數(shù)，界面粘結(jié)系數(shù)，長(zhǎng)度有效系數(shù)以及極限強(qiáng)度和臨界體積率。

三、結(jié)語

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)纖維瀝青混凝土展開深入研究和廣泛應(yīng)用，利用纖維增強(qiáng)瀝青混合料，由于纖維的吸附、穩(wěn)定以及多向加筋作用，可以較好地改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能以及高寒地區(qū)的抗?jié)B、抗冰凍性能，提高了抗車轍及抗滑能力和疲勞耐久性、延緩彎沉的增加。

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