柔性基层沥青混合材料结构力学性能研究

闫伟

天津市地下铁道集团有限公司 天津 300300

摘要：通过将纤维材料添加到沥青混合料中形成一种纤维柔性路基新型材料，与普通材料相比，具有较强的劈裂强度。试验表明，劈裂强度随着添加纤维的长细比增大而减小，合理的纤维掺量在1‰到2‰之间，聚丙烯纤维材料提高材料劈裂强度效果显著。总之，纤维级配碎石材料增加路面整体抵抗层底拉应力的能力，提高道路承载力抗车辙性能从而延长道路使用寿命。

关键词：纤维；级配碎石；劈裂强度

1.前言

我国公路建设正处在一个大规模建设高等级公路的发展时期，大交通量和重载车辆的日益增多，必然对公路路面结构的强度和稳定性提出更高的要求。几十年来公路建设一直采用的半刚性沥青路面基层存在收缩开裂、渗水性差、对重载车具有更大的轴载敏感性等缺点，这已经引起国内外研究人员的高度重视。

沥青混合材料就是将纤维随机地分布于混合料中所组成的一种纤维型与颗粒型的复合材料，它是一种非常有潜力的·路面材料。通过理论分析和试验对比，对纤维级配碎石的主要力学性能进行了研究，表明纤维级配碎石柔性路面材料，同传统半刚性基层相比，增加路面整体抵抗层底拉应力的能力，可以较有效的防止反射裂缝的产生，提高道路承载力抗车辙性能从而延长道路使用寿命。

2.沥青混合材料力学性能分析

通过添加抗拉强度和弹性模量较高的纤维材料，纤维复合后的材料抗拉强度和承受动荷载的能力都会得到不同程度的提高。影响纤维增强混合料性能的主要因素有：纤维的掺量、种类、长径比以及纤维在混凝土中是否均匀分布等。

2.1劈裂强度分析

良好的基层材料必须具备一定的抗拉强度，而劈裂强度就是衡量抗拉强度的指标。试件采用振动成型法成型成高和直径均为150mm的圆柱形试件，劈裂强度试验方法按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）中的T0806—1994进行。将试件放到路面材料强度试验仪的升降台上，使试件的形变以约1mm/min的等速率增加进行劈裂强度试验。试件的劈裂强度按下式计算：

（式1）

式中：——试件破坏时的最大压力（kN）；

——试件高度（mm）。

2.1.1 纤维长细比及掺量对劈裂强度的影响

掺加纤维的拌和工艺流程为，混合料按照常规方法制备，在添加水之前，先将按比例掺配好的粗细集料混匀，然后加入定量的纤维干拌，直至纤维均匀分布再加水进行湿拌。成型好的圆柱试件，不需要像水泥稳定碎石那样进行养生，立即放在路面材料强度仪上进行劈裂试验。根据劈裂强度的大小优化纤维的尺寸和长度以及掺量。

选择的纤维种类为塑料绳纤维，直径固定，长度分别取1cm、3cm、5cm、7cm，纤维的掺量（质量比）定为0‰、1‰、2‰、3‰、4‰，共计五种掺量。首先测定不加纤维的普通级配碎石的劈裂强度，以空白试件作为基准，然后再进行同一种级配，同一含水量下掺加不同纤维的级配碎石劈裂强度的平行试验，试验结果见图1。

图1纤维级配碎石不同长细比及掺量劈裂强度对比图

通过图1的比较，可以看出对于掺加纤维的级配碎石，纤维尺寸不变时，随着纤维掺量的增加，劈裂强度随之先增大后减小。添加纤维能够提高级配碎石整体的抗变形能力，尤其是受拉破坏的抵抗能力可以明显提高，掺量在千分之一到千分之二之间范围内较为合理。

将图1中相同的掺量下，不同纤维尺寸级配碎石的劈裂强度进行对比，可以看出尺寸越小，劈裂强度越大，纤维尺寸越小，其在混合材料中分布越趋于均匀，和易性越好，能较好的发挥其抗拉能力，从而提高材料的整体抗变形能力。

2.1.2不同种类纤维的对比

目前通常国内外通常采用的纤维材质主要有聚丙烯纤维、聚酯纤维、木质素纤维，在纤维掺量在1‰条件下进行劈裂强度试验对比，结果在表2中。

表1 掺加纤维后的劈裂强度试验结果

编号 不加纤维 纤维1号 纤维2号 纤维3号 纤维4号 纤维5号

纤维类型 - 聚丙烯纤维 聚酯纤维 聚丙烯纤维 常见普通纤维 木质素纤维

劈裂强度平均值（kPa） 14.2 18.4 17.2 21.3 16.5 14.8

通过多次反复试验求得的劈裂强度平均值，从表1中可以看出，相同级配相同混合料相同成型方式，同一时间条件下，无论是哪种纤维，掺加1‰的纤维的级配碎石混合料的劈裂强度均大于不掺加纤维的劈裂强度。相同掺量下，对于改善级配碎石力学性能来说，掺加聚丙烯纤维材料劈裂强度能提高50%。当微裂缝向细裂缝发展的过程中，必然碰到多条不同向的微纤维，由于纤维的抗拉强度远大于级配碎石基体的强度，以及纤维与级配碎石较好的粘结力，所以在裂缝的进一步扩展过程中，由于纤维与级配碎石的相对位移消耗了能量，降低了应力水平，使得裂缝扩展收到了限制，进而使得纤维级配碎石的抗拉强度有明显的提高。

3.结论

（1）纤维级配碎石作为一种新型路基材料，与半刚性基层相比有明显的优点。通过理论分析和试验对比，对纤维级配碎石的主要力学性能进行了研究，表明纤维级配碎石柔性路面材料，具有较强的劈裂强度和抗剪切性能，同传统半刚性基层相比，增加路面整体抵抗层底拉应力的能力，可以较有效的防止反射裂缝的产生，提高道路承载力抗车辙性能从而延长道路使用寿命。

（2）对于掺加纤维的级配碎石，纖维尺寸、掺量和种类都对其劈裂强度有一定影响。纤维尺寸不变时，随着纤维掺量的增加，劈裂强度随之先增大后减小，纤维的掺量在千分之一到千分之二之间范围内较为合理；相同的掺量下，纤维尺寸尺寸越小，劈裂强度越大，也就是说较小尺寸的纤维对于改善级配碎石抗拉性能效果最为显著。

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