棉纖維瀝青混凝土的力學(xué)性能試驗研究

王紅梅， 高濤濤， 王麗英

(1.重慶能源職業(yè)學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院， 重慶市 402260;2.重慶工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 重慶市 400056;3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶市 400074; 4.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院 土木工程系，重慶市 400072)

根據(jù)2021年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報顯示，2021年末中國公路總里程528.07萬km，比2020年末增加8.26萬km。公路密度55.01 km/100 km2，增加0.86 km/100 km2。公路養(yǎng)護里程525.16萬km，占公路總里程比重的99.4%。可見，中國目前處于道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大開發(fā)階段。然而，道路瀝青混凝土在使用過程中會出現(xiàn)磨損、開裂等現(xiàn)象導(dǎo)致力學(xué)性能降低，嚴重威脅到道路的使用壽命。因此，改進和優(yōu)化瀝青混凝土的力學(xué)性能十分必要[1-11]。

目前，對于瀝青混凝土配合比設(shè)計與優(yōu)化已有不少學(xué)者開展過研究。曹景等[12]為提高混凝土的抗凍性，開展了棉纖維改善混凝土的抗凍性能研究，并得到了棉纖維的最佳配合比；羅倩[13]為改善大空隙瀝青混合料的路用性能，提出使用玄武巖纖維對大空隙瀝青混合料進行改性的技術(shù)方案，得出玄武巖纖維的最佳摻量為0.25%；林增華等[14]研究聚丙烯纖維和玻璃纖維格柵組合對瀝青混凝土抗裂性能的影響規(guī)律，確定了有利于阻止瀝青混凝土開裂的最佳纖維組合形式；王慧穎等[15]在瀝青混合料中加入碳纖維和微膠囊相變材料，研究了微膠囊相變材料摻量和油石比對瀝青混合料電阻率和融雪去冰效果的影響；宋文佳[16]在瀝青混合料中添加聚丙烯纖維，研究了聚丙烯纖維和玻璃對瀝青混合料力學(xué)性能的影響。

以上研究多局限于纖維對混凝土強度的優(yōu)越性進行比較，沒有系統(tǒng)研究棉纖維對混凝土力學(xué)性能的影響。此外，棉纖維材料作為一種新型纖維材料被廣泛應(yīng)用于材料工程領(lǐng)域，但是在瀝青混凝土中應(yīng)用較少?；诖?，該文開展棉纖維瀝青混凝土的力學(xué)性能試驗研究，提出高性能瀝青混凝土配合比方法，探究棉纖維摻量對瀝青混凝土力學(xué)性能的影響。

1 材料與方法

(1) 瀝青。試驗選用鎮(zhèn)江某公司生產(chǎn)的140#軟質(zhì)瀝青，其基本性能如表1所示。

表1 瀝青基本性能

(2) 集料。粗集料和細集料均為重慶市某混凝土有限公司生產(chǎn)，其中粗集料的密度約為2.93 g/cm3，吸水率約為0.92%，粒徑范圍為5～15 mm；細集料的密度約為2.83 g/cm3，吸水率約為1.12%，粒徑范圍為0～5 mm。

(3) 棉纖維。試驗選用上海某棉纖維公司生產(chǎn)的棉纖維，其直徑約為6 μm、長度為12 cm、密度約為140 kg/m3，如圖1所示。

圖1 棉纖維試樣

(4) 試驗方法。將上述材料進行混合攪拌后，分別進行車轍試驗、抗壓試驗、抗彎曲試驗和抗凍融試驗。其中車轍試驗采用HYCZ-2型車轍試驗儀，將試塊直接放入裝置中，得到棉纖維瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性變化規(guī)律；抗壓試驗根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》方法進行測試；抗彎曲試驗采用萬能材料試驗機，將瀝青混凝土試塊放入其中測試抗拉破壞的能力；抗凍融試驗采用馬歇爾試驗儀和冷凍箱，按照國家標(biāo)準(zhǔn)JTJ 052—2000方法進行測試。

2 試驗結(jié)果

2.1 車轍試驗

分別以不摻棉纖維和摻入比例為1%、4%、7%的棉纖維瀝青混凝土進行車轍試驗，得到穩(wěn)定度如圖2所示。

圖2 棉纖維摻量與混凝土穩(wěn)定性的關(guān)系

從圖2可以發(fā)現(xiàn)：棉纖維的摻入對瀝青混凝土穩(wěn)定度有著明顯的改善。這是因為棉纖維混凝土是一種復(fù)合彈性材料，當(dāng)瀝青含量較多時即棉纖維摻量為0%，過多的瀝青會加大混凝土礦料間的空隙，使得礦料間的內(nèi)阻力下降，導(dǎo)致穩(wěn)定度下降。隨著棉纖維比例增加即瀝青含量減少，棉纖維瀝青混凝土的穩(wěn)定度逐漸增加。但增加到一定程度時，瀝青混凝土的穩(wěn)定度反而開始逐漸下降，這是因為當(dāng)棉纖維摻量增加時瀝青含量逐漸減少，則混凝土中礦料不能夠被瀝青完全裹住，導(dǎo)致顆粒間的黏結(jié)力減小，進而導(dǎo)致穩(wěn)定度減弱[17]。從圖2可以得出，當(dāng)摻入4%的棉纖維時其穩(wěn)定度比不摻棉纖維時增長了約34.8%(玄武巖纖維對瀝青混凝土穩(wěn)定度的增長率只有8%[18])。

2.2 抗壓試驗

瀝青混凝土主要依附于路床上，因此其本身不需要足夠的強度來承受荷載。但為了保護路床不直接承受車輛荷載的摩擦力，因此仍需要一定的強度維持路基的整體性。分別以不摻棉纖維和摻入比例為1%、4%、7%的棉纖維瀝青混凝土進行抗壓試驗，得到抗壓強度變化曲線和抗壓模量變化曲線，如圖3所示。

圖3 抗壓性能與棉纖維摻量的關(guān)系

從圖3可以得知：當(dāng)棉纖維含量增加時，瀝青混凝土的抗壓強度先增加后降低，而抗壓模量則一直增加。出現(xiàn)上述情況是因為棉纖維含量為0時，過多的瀝青會形成自由瀝青，由于其具有流動性從而會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的抗壓強度降低；而當(dāng)棉纖維含量增加即瀝青含量減少，使得自由瀝青減少，從而提高了瀝青混凝土的強度；但隨著棉纖維含量逐漸增加，會導(dǎo)致混凝土礦料表面缺少瀝青包裹，黏結(jié)力下降，進而使得強度降低[19]。而對于抗壓回彈模量來說，隨著棉纖維含量的增加即瀝青含量的降低，抗壓模量會逐漸增加。因此在實際工程設(shè)計時，可以適當(dāng)提高棉纖維的用量，使得抗壓模量增加。從圖3可以得出，當(dāng)摻入4%的棉纖維時其抗壓強度增長了約21.6%，與鋼纖維瀝青混凝土中摻入2%的鋼纖維對抗壓強度的提高比例相似[20]。

2.3 抗彎拉試驗

由于瀝青混凝土材料對溫度的敏感度較大，在不同溫度下會呈現(xiàn)不同的力學(xué)性能，得到不同溫度下棉纖維混凝土抗彎拉試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度與棉纖維混凝土抗彎拉強度的關(guān)系

由圖4可見：當(dāng)溫度增加時抗彎拉強度逐漸增加，棉纖維含量增加時抗彎拉強度也逐漸增加，但溫度對抗彎拉強度的影響比棉纖維摻量對抗彎拉強度的影響大。這是因為纖維瀝青混凝土在溫度變化時會產(chǎn)生收縮變形，其上下表面會出現(xiàn)溫度差，從而形成溫度應(yīng)力，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致其抗彎拉能力下降[21]。相對于棉纖維摻量為0%的瀝青混凝土，由于棉纖維的加筋作用會提高混凝土的抗彎性能。但對比棉纖維摻量4%和7%的混凝土，可知當(dāng)棉纖維摻量在一定范圍時，混凝土的抗彎拉強度會逐漸增加，而過高含量的棉纖維混凝土的抗彎效果不大，甚至可能出現(xiàn)下降的趨勢。從圖4可以得出，當(dāng)摻入4%的棉纖維時其在-20 ℃下抗彎拉強度增長了約42.6%、其在20 ℃下抗彎拉強度增長了約49.4%。這一提高比例與其他纖維瀝青混凝土相比，如竹纖維瀝青混凝土，其竹纖維對瀝青混凝土抗彎拉強度的提高比例要低于該文的棉纖維混凝土[22]。

2.4 抗凍融試驗

將試樣放入-16 ℃的冷凍箱冷凍16 h，隨后放入28 ℃的恒溫箱中2 h。最后將試樣放入馬歇爾試驗儀中進行測試，測得4種樣品的抗拉強度如圖5所示。

圖5 棉纖維摻量與抗拉強度的關(guān)系

由圖5可見：經(jīng)過凍融試驗后混凝土的抗拉強度均會下降，并且隨著棉纖維摻量的增加混凝土的抗拉強度也在增加，但增加到一定程度時抗拉強度反而會出現(xiàn)下降。從微觀上分析棉纖維會和瀝青形成一空間結(jié)構(gòu)，使得混凝土集料形成穩(wěn)固密實的整體，棉纖維的摻入能夠提高混凝土的抗水性能，從而提高抗拉強度[23]。而普通混凝土由于其防水性能不佳，水會滲透至混凝土中的空隙，凍融后產(chǎn)生壓力破壞混凝土結(jié)構(gòu)。從圖5可以得出，當(dāng)摻入4%的棉纖維時其抗凍融性能增長了約48.8%。這一提高比例與其他纖維瀝青混凝土相比，如玻璃纖維瀝青混凝土、木質(zhì)素纖維瀝青混凝土，其玻璃纖維和木質(zhì)素纖維對瀝青混凝土抗凍性能提高性能與棉纖維相似，但木質(zhì)素纖維的價格會高于棉纖維[24]。

3 結(jié)論

通過在瀝青混凝土中添加棉纖維，制備出棉纖維瀝青混凝土，通過試驗分析研究，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著棉纖維比例的增加即瀝青含量減少，棉纖維瀝青混凝土的穩(wěn)定度逐漸增加。但增加到一定程度時，穩(wěn)定度逐漸減少。

(2) 當(dāng)溫度增加時抗彎拉強度逐漸增加，棉纖維含量增加時抗彎拉強度也逐漸增加，但棉纖維的影響沒有溫度的影響大。

(3) 經(jīng)過凍融試驗后混凝土的抗拉強度均會下降，并且隨著棉纖維摻量增加混凝土的抗拉強度增加，但增加到一定程度時抗拉強度反而下降。

(4) 根據(jù)該文試驗得出棉纖維含量為4%時，棉纖維瀝青混凝土力學(xué)性能最佳。