聚酯纖維對混凝土性能影響的機(jī)理分析及應(yīng)用

徐 文 瑞

(山西省公路局晉中分局，山西 晉中 030600)

聚酯纖維對混凝土性能影響的機(jī)理分析及應(yīng)用

徐 文 瑞

(山西省公路局晉中分局，山西 晉中 030600)

闡述了聚酯纖維添加在瀝青混凝土中的作用，分析了聚酯纖維對混凝土的性能影響作用，通過研究聚酯纖維混凝土在實踐工程中的應(yīng)用效果，指出其可提高路面的整體性、穩(wěn)定性、安全性、耐久性，應(yīng)用前景廣闊。

聚酯纖維，混凝土，作用，機(jī)理，應(yīng)用

在我國公路路面中，瀝青混凝土路面是重要的路面形式之一，占公路總里程的90%左右。近年來，隨著交通量的激增，車輛載重技術(shù)的發(fā)展，渠化交通等各種原因的影響，我國很多新鋪筑的剛通車不久的瀝青路面出現(xiàn)了嚴(yán)重的破損現(xiàn)象，出現(xiàn)了車轍、開裂、坑槽等病害，使得路面壽命縮短，服務(wù)水平下降。

經(jīng)過國內(nèi)外公路建設(shè)者對瀝青路面結(jié)構(gòu)的研究，提出了多碎石瀝青混凝土(SAC)路面、瀝青瑪脂碎石(SMA)路面、長壽命路面等多種新型路面結(jié)構(gòu)，以期能滿足高等級公路良好的路面性能需求。在施工中，上述路面對原材料選擇要求高、需要特殊配比設(shè)計，以及極為苛刻的施工工藝及操作控制，使得工程成本居高不下，這些都限制了上述新型路面的應(yīng)用及發(fā)展。

聚酯纖維的親油、親水性能較好，與瀝青混凝土的裹附性能優(yōu)越。大量的研究實踐表明：在瀝青混凝土中，摻加使用聚酯纖維作為添加劑，能夠大幅提高瀝青混凝土的使用性能。在鋪筑瀝青混凝土路面時，使用聚酯纖維瀝青混凝土，對提高路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及抗疲勞性能以及改善瀝青路面的水穩(wěn)定性，抗剝落性及耐久性具有重要作用，同時，有效抵抗反射裂縫的產(chǎn)生。聚酯纖維混凝土路面能有效提高路面質(zhì)量，延長其使用壽命，得到了國內(nèi)外的極大關(guān)注。

1 聚酯纖維添加在瀝青混凝土中的作用

聚酯纖維(見圖1)，英文名：polyester fibre，是從石油中提煉的聚乙烯一對苯二甲酸經(jīng)特殊工藝加工而成，是目前世界上化學(xué)性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高、耐高溫好的聚合纖維之一(見表1)，具有良好的工程應(yīng)用性能。

表1 聚酯纖維(常州市天怡工程纖維有限公司生產(chǎn))物理特性

聚酯纖維同瀝青親和性強(qiáng)。聚酯纖維混凝土具有優(yōu)越的機(jī)械性能和耐化學(xué)性，可有效提高混凝土早期抗拉強(qiáng)度、抗裂能力、改善抗疲勞性能、抗折強(qiáng)度、抗沖擊性能、防凍性和水穩(wěn)定性等，是提高瀝青混凝土路面路用性能的有效措施。

聚酯纖維在瀝青混凝土中的作用：

1)加筋作用。

在摻加了聚酯纖維的混凝土混合料中，聚酯纖維以無確定規(guī)則狀態(tài)的三維分散存在，這可以起到很好的加筋效果(見圖2)。

2)分散作用。

在摻加了聚酯纖維的混凝土混合料中，可有效的緩解瀝青與混凝土粉結(jié)成膠團(tuán)，使其均勻分散在集料中。

3)吸附瀝青作用。

利用聚酯纖維良好的親油親水性能，在混凝土中摻加使用，利用瀝青與纖維的吸附性，使得油膜厚度增加，利于提高路面的耐久性。

4)穩(wěn)定作用。

纖維的存在能夠使得集料表面的瀝青處于穩(wěn)定的狀態(tài)，提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。特別是夏季高溫時，瀝青受熱膨脹，纖維內(nèi)部的空隙將成為緩沖，不至于成為自由瀝青而泛油。

5)增粘作用。

纖維的存在，通過瀝青油膜的粘結(jié)作用，使得瀝青和礦料的粘附性增強(qiáng)。由于集料間的粘結(jié)力的增強(qiáng)，利于提高混合料的水穩(wěn)定性。

聚酯纖維混凝土可用于新舊瀝青混凝土路面罩面，橋面鋪設(shè)瀝青混凝土磨耗層、氣膜層；舊瀝青路面和舊水泥路面的罩面薄層，機(jī)場跑道、停機(jī)坪等部位的加強(qiáng)，路面補(bǔ)強(qiáng)和修復(fù)等。

2 纖維對混凝土的性能影響的機(jī)理

在瀝青混凝土中加入纖維，極大的提高路面的承載能力、抗車轍、抗反射裂縫等路用性能，明顯改善路面的抗疲勞性能及水穩(wěn)定性能，降低路面后期維護(hù)費用55%～60%。因此，摻加聚酯纖維的瀝青混凝土路面得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 加筋作用機(jī)理

聚酯纖維粗細(xì)均勻，在兩端有明顯“觸角”狀突起(見圖3)，這特別有利于相互搭接。在瀝青混凝土中，按照2 kg/t的聚酯纖維摻量，則在每立方米混凝土混合料中就會有4億根6 mm長的纖維呈無規(guī)則三維分布。在混凝土中，纖維縱橫交錯，與瀝青均勻的粘合在一起，加筋效果顯著。同時，大幅度提高阻滯路面開裂的自愈能力，減少或者延遲裂縫的出現(xiàn)。

2.2 吸附作用機(jī)理

聚酯纖維直徑一般在20 μm左右，其比表面積相當(dāng)大。在混合料中，由于纖維良好的親油親水性能，瀝青在纖維表面的吸附及浸潤作用，使得瀝青在纖維表面呈現(xiàn)出單分子狀的排列狀態(tài)，從而形成結(jié)合力強(qiáng)的“結(jié)構(gòu)瀝青”界面層(見圖4)。這對減緩瀝青老化速率，降低瀝青的溫度敏感性具有極其重要的作用，可有效改善路面混合料的高溫和低溫穩(wěn)定性能。

2.3 穩(wěn)定作用機(jī)理

在聚酯纖維瀝青混凝土中，數(shù)量巨大的纖維呈現(xiàn)三維隨機(jī)分布。纖維縱橫交錯，且瀝青在纖維表面的吸附及浸潤作用，使得在混合料內(nèi)部形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)網(wǎng)及“結(jié)構(gòu)瀝青”網(wǎng)，使得結(jié)構(gòu)瀝青比例大大增大，自由瀝青膜有效減薄，這對降低溫度對路面的影響意義重大。同時，對減少路面開裂，延緩路面老化效果十分明顯。

2.4 改善疲勞性能的機(jī)理

在瀝青混凝土路面開裂的研究中發(fā)現(xiàn)，荷載、溫度及內(nèi)部不均勻結(jié)點是導(dǎo)致路面開裂的主要因素。在聚酯纖維混合料中，三維隨機(jī)分布的短纖維對裂紋的擴(kuò)展具有明顯的阻滯作用。同時，混合料內(nèi)部形成的骨架結(jié)構(gòu)網(wǎng)及“結(jié)構(gòu)瀝青”網(wǎng)使得瀝青對集料的粘裹力大幅增大，提高混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使其不易松散。這些都利于提高路面的抗疲勞性能，延長路面使用壽命。

聚酯纖維混凝土能夠顯著提高瀝青路面的使用壽命，具有顯著的抗車轍性、抗裂性、水穩(wěn)性及抗疲勞性等。推廣聚酯纖維混凝土路面，對于創(chuàng)建安全、舒適的行車環(huán)境，提高公路質(zhì)量和延長壽命具有重要意義。

3 聚酯纖維混凝土的應(yīng)用

聚酯纖維混凝土路面路用性能優(yōu)越，具有良好的抗車轍、抗開裂、抗疲勞及抗水害等性能，在我國具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

3.1 在新建路面中的應(yīng)用

將聚酯纖維混凝土應(yīng)用于新建瀝青路面的中、上面層，實現(xiàn)其良好的高溫穩(wěn)定性，抗開裂、抗疲勞及抗水害等工程路用性能。同時，利用細(xì)小纖維末梢實現(xiàn)與下面層的良好粘結(jié)。使用纖維瀝青混凝土路面，能夠有效延長路面使用壽命，減薄面層厚度，提高路面的整體強(qiáng)度。

3.2 在舊瀝青路面及水泥混凝土路面的罩面中的應(yīng)用

使用聚酯纖維混凝土進(jìn)行舊路面改造是一種效果良好的方案，一般是用于舊瀝青路面或水泥混凝土路面罩面。在舊路面改造中，利用聚酯纖維混凝土極強(qiáng)的抗拉抗裂能力，同時實現(xiàn)與原有

舊路面極強(qiáng)的粘結(jié)，能夠很好的解決原有路面的坑槽、車轍、裂縫等病害，顯著延長路面的使用壽命。

3.3 在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

在瀝青混凝土路面的使用過程中，出現(xiàn)車轍、裂縫、坑槽、松散等病害是不可避免的。但如果處理不及時，則會導(dǎo)致出現(xiàn)大面積破損的現(xiàn)象。

在路面養(yǎng)護(hù)中，破損部位修補(bǔ)的關(guān)鍵在于新舊瀝青混凝土能夠?qū)崿F(xiàn)有效粘結(jié)。將聚酯纖維混凝土應(yīng)用于路面養(yǎng)護(hù)作業(yè)，就是充分利用纖維端頭的“觸頭”狀突出實現(xiàn)新舊混合料的有效粘結(jié)。在裂縫治理中，聚酯纖維混凝土能夠使得裂縫兩側(cè)緊粘在一起，利于延緩裂縫的發(fā)展。

3.4 在鋼結(jié)構(gòu)橋面的應(yīng)用

將聚酯纖維混凝土應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)橋面鋪攤，在磨耗層與氣膜層之間，提供了一個三維的加強(qiáng)作用，以加強(qiáng)筋阻止龜裂、車轍和擠推等性能。同時，其優(yōu)越的工程性能，能夠有效阻止冰雪、雨水或其他有害介質(zhì)對路面結(jié)構(gòu)及橋面的入侵。這對保護(hù)橋面鋼筋和鋼板不被腐蝕，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性具有重要意義。

4 摻量及施工

高等級公路中的參考摻量見表2。

表2 高等級公路中的參考摻量

橋面鋪裝時，磨耗層：3.5 kg每噸瀝青混合料；氣膜層：2.5 kg每噸瀝青混合料。

施工工藝：使用聚酯纖維混合料，與瀝青混合料相比，配合比基本不變，僅需添加一臺纖維添加設(shè)備；施工工藝與不添加纖維時基本相同，只要將纖維與集料同時加入攪拌機(jī)，先干拌25 s～30 s，再濕拌30 s即可。

5 結(jié)語

聚酯纖維瀝青混合料性能優(yōu)越，具有極強(qiáng)的抗車轍、抗裂性、抗疲勞及抗水害性能。同時，在施工中不需要改變原有施工工藝，操作簡單方便，適用性強(qiáng)。推廣和使用聚酯纖維瀝青混凝土路面，是提高路面使用性能、確保路面質(zhì)量的一個有效措施，能有效的延長路面使用壽命，節(jié)約路面養(yǎng)護(hù)成本。

[1] 常州市天怡工程纖維有限公司[OL].http://www.zengqiang.com/cn/cp2.htm.2014-03-02.

[2] 孫 靜.纖維對瀝青混凝土性能影響的作用及機(jī)理[J].城市建設(shè)理論研究，2013(8)：78-79.

[3] BoniFiber路用纖維在瀝青路面中的應(yīng)用[OL].2014-03-02.http://www.chinahighway.com/news/2002/29373.php.

On mechanism analysis of influence of polyester fiber on concrete and its application

XU Wen-rui

(JinzhongBranch,ShanxiRoadBureau,Jinzhong030600,China)

The paper illustrates the role of the polyester fiber added into the asphalt concrete, analyzes its influence on the concrete performance, and points out it can improve the wholeness, stability, safety, and durability of the roadbed by researching its application effect on the project.

polyester fiber, concrete, role, mechanism, application

1009-6825(2014)22-0121-02

2014-05-23

徐文瑞(1977- )，男，助理工程師

TU502

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