短切沥青碳纤维混凝土马歇尔试验研究

张明德

(山东交通职业学院，山东潍坊 261206)

1 马歇尔试验方法

本文采用了山东华瑞道路材料公司提供的重交AH-50号沥青，未改性短切沥青碳纤维及EVA乳液改性沥青碳纤维。粗集料采用山东昌乐石灰岩，细集料采用大汶河河砂，矿粉采用石灰岩矿粉，其中粗细集料和矿粉的技术指标如表1，表2所示。矿料级配采用了AC-16Ⅰ标准，如表3所示，经室内筛分后逐级回配得到。

根据纤维种类及其用量，矿料类型和规范推荐的沥青用量范围采用马歇尔试验的方法确定最佳沥青用量，其中沥青碳纤维类型选用未改性沥青碳纤维和EVA乳液改性沥青碳纤维，其中沥青碳纤维掺量按混凝土的质量比进行添加，分别选用沥青用量的0%，0.2%，0.5%，0.8%，长度选用2 cm，3 cm和5 cm。

表1 粗细集料技术指标

表2 矿粉技术指标

表3 矿料级配表

2 短切沥青碳纤维混凝土马歇尔试验结果

短切沥青碳纤维增强沥青混凝土的马歇尔试验研究中主要进行了以下试验:

1)碳纤维的掺入量试验;

2)碳纤维的掺入长度试验;

3)碳纤维的改性种类试验;

4)短切碳纤维沥青混凝土马歇尔试验。

2.1 碳纤维的掺入量试验

沥青混凝土中碳纤维的掺入量不同，则碳纤维在混凝土中的分散程度、有效比表面积以及对整个混凝土的加强作用等方面均不相同。

本文采用了长度为2 cm的未改性沥青碳纤维来进行试验，碳纤维的掺入量分别为0，0.2%，0.5%，0.8%(掺入量是指所掺入的碳纤维占整个碳纤维沥青混凝土的质量百分比)。按照马歇尔试验的方法首先应确定出不同碳纤维掺入量下的最佳沥青用量，在此最佳沥青用量下再测试各个马歇尔试验的技术指标，如表4所示。

表4 碳纤维掺入量对马歇尔试验技术指标的影响

从表4，图1可以看出，沥青混凝土中的最佳沥青用量随着碳纤维掺入量的增加而增大，但随着碳纤维掺入量的继续增加，最佳沥青用量的增大速率逐渐减缓，达到一定掺入量时(如表中纤维掺入量为0.5%)，最佳沥青用量将不会增加反而会减少。随着碳纤维的掺入，沥青混凝土的密度值会下降，但是变化的幅度不大。稳定度随着掺入量的增加有不同程度的增减变化，当掺入量高于0.5%时开始下降，而流值则随着掺入量的增大呈现持续递增的趋势。同时矿料间隙率也随着掺入量的增加而递增。

图1 碳纤维掺量对沥青混凝土试样性能的影响

2.2 碳纤维的掺入长度试验

本试验中原料配比与碳纤维掺量影响试验相一致，采用未改性沥青碳纤维，纤维掺入量均为0.5%，根据不同纤维长度做对比试验，其试验结果如表5所示。

由表5可以看出，最佳沥青用量随着掺入碳纤维长度的增大而减小，但越长的碳纤维越容易相互缠绕而产生空隙，致使混凝土的密度减小并且降低幅度较大，较长的沥青碳纤维混凝土的马歇尔稳定度和流值均有小幅度的增加，但沥青碳纤维的掺入长度对矿料间隙率(VMA)和沥青饱和度(VFA)影响不明显。总之要综合考虑沥青碳纤维的掺入长度对马歇尔稳定度的贡献以及相互缠绕的平衡点，选择合适的沥青碳纤维长度。

2.3 碳纤维的改性种类试验

目前用于沥青混凝土中的纤维有石棉纤维、聚酯纤维等。本文采用了石棉纤维，未改性短切沥青碳纤维和EVA改性短切沥青碳纤维三种纤维对沥青混凝土进行马歇尔试验。

试验原料及配比与确定碳纤维掺量的试验相同，各种纤维长度选择2 cm，掺入量选择0.5%，分别得出不同纤维增强沥青混凝土马歇尔指标的结果，如表6所示。

表6 碳纤维种类对马歇尔试验技术指标的影响

由表2，图2可以看出，各纤维沥青混凝土的最佳沥青用量均有所增大，而混凝土的密度值下降，各纤维沥青混凝土的马歇尔稳定度均有所提高，尤其是EVA改性后的沥青碳纤维增加幅度最大，通过高分子EVA乳液改性后的沥青碳纤维增强的沥青混凝土的稳定度要比未加碳纤维的沥青混凝土的稳定度高106.43%，比加入未改性沥青碳纤维沥青混凝土的稳定度高18.91%。

图2 碳纤维种类对沥青混凝土试样性能的影响

2.4 短切碳纤维沥青混凝土马歇尔试验

本试验选用未改性和EVA乳液改性的两种沥青碳纤维，试验结果如表7所示。

表7 最佳配合比沥青混凝土马歇尔试验技术指标

由表7可以看出沥青碳纤维增强的沥青混凝土的马歇尔稳定度完全满足JTG F40-2004公路工程技术标准所规定的马歇尔稳定度不小于8 kN的标准。本试验最佳配比条件下的沥青混凝土稳定度达到了23.45 kN，足足高出了标准要求的193.13%。

本试验样品流值宜控制在3 mm～4 mm范围内，空隙率控制在4%左右，VFA控制在70%左右，各项指标均很好的满足标准要求。

3 结语

通过马歇尔试验可以看出，掺入沥青混凝土中的碳纤维的长度、掺入量的大小、不同的碳纤维改性种类均会对沥青混凝土的各项技术指标产生影响。

结合马歇尔配比试验可以得出短切沥青碳纤维掺加沥青混凝土的最佳配比为碳纤维长度选择2 cm，碳纤维掺入量选择0.5%。同时根据配比试验结果可以看出，加入EVA改性沥青碳纤维的沥青混凝土各项性能指标明显要优于未掺加碳纤维和掺加了未改性沥青碳纤维的沥青混凝土，从而进一步证明了通过沥青碳纤维的表面改性，可以更好的发挥沥青碳纤维的自身优势以增强沥青混凝土的力学性能。

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