李靜

竹纖維瀝青混凝土的力學(xué)特性研究

李靜

河北旅游職業(yè)學(xué)院, 河北 承德 067000

竹纖維具有可再生、產(chǎn)量大、成本低、環(huán)境污染小、力學(xué)強(qiáng)度高、高溫穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。因此，本文制備了竹纖維瀝青混凝土試驗(yàn)樣品，確定了竹纖維的最佳使用長度和摻量比例，測試了竹纖維瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能。研究結(jié)果表明：（1）竹纖維瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度整體上隨著竹纖維摻量的增大而增大，但1 cm和3 cm竹纖維摻入后均有個(gè)別組樣品不滿足要求，因此建議選取直徑2 cm、摻量2%為瀝青混凝土中竹纖維的最佳配比；（2）隨著竹纖維摻量的增大，不同竹纖維長度下的瀝青混凝土的動穩(wěn)定度均表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，但竹纖維長度越長，竹纖維瀝青混凝土出現(xiàn)動穩(wěn)定度最大的摻量值就越靠前；（3）為提高竹纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性能，建議1 cm竹纖維的最佳摻量為2.5%，2 cm竹纖維的最佳摻量為2.0%，3 cm竹纖維的最佳摻量則為1.5%。

竹纖維瀝青混凝土; 力學(xué)特性

傳統(tǒng)路面已出現(xiàn)車轍[1]、開裂[2]、泛油[3]等病害，難以滿足現(xiàn)在高質(zhì)量瀝青路面的要求。大量研究表明，纖維改性瀝青可以有效減小車轍、開裂、泛油等病害的發(fā)生，提高瀝青路面在夏季高溫和冬季凍融循環(huán)作用下的耐久性[4-6]。然而，目前纖維材料多采用聚合物纖維，其生產(chǎn)過程需要消耗大量的石油等不可再生資源，易造成環(huán)境污染和能源大量消耗[7,8]。如何利用可再生纖維材料提高瀝青混凝土的耐久性能已經(jīng)熱點(diǎn)研究問題。

學(xué)者們已經(jīng)嘗試?yán)妹藿斩捓w維[9]、木質(zhì)素纖維[10]和竹纖維[11]取代聚合物纖維，此類纖維具有可再生、產(chǎn)量大、成本低、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)，其中竹纖維具有力學(xué)強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好等特性?；诖?，本文將竹纖維加入瀝青混凝土中制備竹纖維瀝青混凝土試樣，利用馬歇爾試驗(yàn)確定竹纖維最佳配比，進(jìn)而測試竹纖維瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性和低溫抗彎拉強(qiáng)度。本文的研究成果可為竹纖維瀝青混凝土的使用提供理論基礎(chǔ)。

1 竹纖維最佳配比

1.1 試驗(yàn)材料

竹纖維瀝青混凝土主要由竹纖維、瀝青、玄武巖粗集料、石灰?guī)r細(xì)集料和礦粉等組成，竹纖維的基本參數(shù)如表1所示，集料的級配曲線如圖1所示。通常瀝青混凝土的油石比處于4%~7%之間[12]，以往試驗(yàn)結(jié)果顯示油石比為5%的竹纖維瀝青混凝土的使用性能最佳[3]，因此本文的油石比為5%。

表 1 竹纖維的基本參數(shù)

圖 1 集料的級配曲線

1.2 竹纖維最佳配比的馬歇爾試驗(yàn)

為了取得瀝青混凝土竹纖維的最佳用量，制備了不同竹纖維長度（1 cm、2 cm和3 cm）和摻量（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%）的瀝青混凝土樣品，依據(jù)（JTGE20-2011）《公路公路程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（以下簡稱規(guī)程）進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn)。其中馬歇爾穩(wěn)定度是指馬歇爾試驗(yàn)得到的事件最大荷載值（kN），流值是指試件在最大荷載方向的最大變形量（mm）。竹纖維瀝青混凝土的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2a可知，竹纖維瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度整體上隨著竹纖維摻量的增大而增大，《規(guī)程》要求穩(wěn)定度應(yīng)大于8.00 kN，1 cm和3 cm竹纖維摻入后均有個(gè)別組樣品不滿足《規(guī)程》要求，僅2 cm竹纖維摻入后均滿足馬歇爾穩(wěn)定性要求；由圖2b可知，竹纖維瀝青混凝土的流值隨竹纖維摻量未表現(xiàn)出顯著規(guī)律，2 cm竹纖維摻入后均滿足《規(guī)程》中流值小于4 mm的要求，同時(shí)竹纖維摻量為1.0%、1.5%、2.5%和3.0%均有個(gè)別樣品的試驗(yàn)結(jié)果不滿足《規(guī)程》要求。因此，選取直徑2 cm、摻量2%為瀝青混凝土中竹纖維的最佳配比。

(a) 穩(wěn)定度 Stability (b) 流值 Rhe

2 竹纖維瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性分析

竹纖維瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性主要依據(jù)下式中的動穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，由車轍試驗(yàn)方法得到：

其中，代表瀝青混凝土的穩(wěn)定度；1和2代表試驗(yàn)時(shí)間，分別為45 min和60 min；1和2代表1和2對應(yīng)的變形量。

其中，代表試件的變形量；Δ代表總變形；代表試件厚度。

不同竹纖維長度以及摻量條件下瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖3所示。當(dāng)竹纖維摻量為0%時(shí)，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度為718次/mm，最終車轍深度為9.29 mm。隨著竹纖維摻量的增大，不同竹纖維長度下的瀝青混凝土的動穩(wěn)定度均表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律；但竹纖維長度越長，竹纖維瀝青混凝土出現(xiàn)動穩(wěn)定度最大的摻量值就越靠前（1 cm、2 cm、3 cm竹纖維的最優(yōu)摻量分別為2.5%、2.25%和2.0%），且在超過最優(yōu)摻量后，竹纖維瀝青混凝土動穩(wěn)定度隨摻量增加而衰減的幅度也越大。而對于最終車轍深度來說，竹纖維摻量越大，瀝青混凝土的最終車轍深度就越小，但當(dāng)達(dá)到一定摻量時(shí)，竹纖維瀝青混凝土的最終車轍深度減小就不太明顯；竹纖維長度越長，竹纖維混凝土車轍深度達(dá)到穩(wěn)定的摻量值點(diǎn)也越小。這個(gè)測試結(jié)果說明，竹纖維的摻入能夠有效提高高溫條件下瀝青混凝土抵抗車輛碾壓的能力，但摻入量也不宜太多，否則會嚴(yán)重影響瀝青混凝土的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，起到適得其反的后果。

(a) 動穩(wěn)定度 Dynamic stability (b) 最終車轍深度 Final rut depth

3 竹纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性分析

竹纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性采用低溫彎曲試驗(yàn)中的抗彎拉強(qiáng)度指標(biāo)來分析，測試方法為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，試件尺寸100 mm×100 mm×400 mm，抗彎拉強(qiáng)度的表達(dá)式為：

式中：R為抗彎強(qiáng)度；max為最大荷載；為試件的截面高度；為試件的截面寬度。

圖4給出了竹纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性測試結(jié)果。由圖可知，未摻加竹纖維時(shí)，瀝青混凝土的抗彎拉強(qiáng)度值為10.89 MPa；摻加1 cm竹纖維時(shí)，1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%摻量的瀝青混凝土抗彎拉強(qiáng)度值分別為11.11 MPa、11.32 MPa、11.45 MPa、11.58 MPa、11.54 MPa和11.43 MPa；摻加2 cm竹纖維時(shí)，1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%摻量的瀝青混凝土抗彎拉強(qiáng)度值分別為11.25 MPa、11.48 MPa、11.63 MPa、11.62 MPa、11.53 MPa和11.04 MPa；摻加3 cm竹纖維時(shí)，1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%摻量的瀝青混凝土抗彎拉強(qiáng)度值分別為11.32 MPa、11.55 MPa、11.48 MPa、11.31 MPa、10.88 MPa和10.42 MPa。這說明，摻入一定量的竹纖維能夠顯著改善瀝青混凝土的低溫抗裂特性，原因在于，少量的竹纖維會在瀝青混凝土彎拉破裂處起到“橋接”瀝青混凝土機(jī)質(zhì)的作用，阻止瀝青混凝土裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而提高瀝青混凝土的抗彎拉能力。但另一方面需要注意的是，竹纖維摻量也不能太大，否則過量的竹纖維不僅會消耗大量的瀝青體介質(zhì)，造成瀝青混凝土內(nèi)部均勻性變差，同時(shí)還會導(dǎo)致竹纖維聚團(tuán)成束，形成薄弱點(diǎn)，嚴(yán)重影響瀝青混凝土的各項(xiàng)性能。由本次竹纖維瀝青混凝土的彎曲試驗(yàn)結(jié)果上看，1 cm竹纖維的最佳摻量為2.5%，2 cm竹纖維的最佳摻量為2.0%，3 cm竹纖維的最佳摻量則為1.5%。

圖 4 竹纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性測試結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）竹纖維瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度整體上隨著竹纖維摻量的增大而增大，但1 cm和3 cm竹纖維摻入后均有個(gè)別組樣品不滿足要求，因此，建議選取直徑2 cm、摻量2%為瀝青混凝土中竹纖維的最佳配比；

（2）隨著竹纖維摻量的增大，不同竹纖維長度下的瀝青混凝土的動穩(wěn)定度均表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律；但竹纖維長度越長，竹纖維瀝青混凝土出現(xiàn)動穩(wěn)定度最大的摻量值就越靠前，且在超過最優(yōu)摻量后，竹纖維瀝青混凝土動穩(wěn)定度隨摻量增加而衰減的幅度也越大；

（3）為提高竹纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性能，建議1 cm竹纖維的最佳摻量為2.5%，2 cm竹纖維的最佳摻量為2.0%，3 cm竹纖維的最佳摻量則為1.5%。

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Study on Mechanical Properties of the Asphalt Concrete with Bamboo Fibers

LI Jing

067000,

Bamboo fiber has the characteristics of renewable, large output, low cost, low environmental pollution, high mechanical strength and high temperature stability. Based on this, the experimental samples of bamboo fiber asphalt concrete were prepared, and the optimum length and proportion of bamboo fiber were determined. The high temperature stability and low temperature crack resistance of bamboo fiber asphalt concrete were tested.The results showed that: (1) The Marshall stability of bamboo fiber asphalt concrete increased with the increase of bamboo fiber content, but the individual group samples after 1cm and 3cm bamboo fiber did not meet the requirements, so the diameter 2cmand 2% dosage of bamboo fibers was selected as the optimum proportion in asphalt concrete.(2) With the increase of bamboo fiber content, the dynamic stability of asphalt concrete under different bamboo fiber lengths showed a change law of increasing first and then decreasing. However, the longer the bamboo fiber length, the higher the amount of bamboo fiber asphalt concrete with the highest dynamic stability.(3) In order to improve the low temperature crack resistance of bamboo fiber asphalt concrete, it was recommended that the optimum dosage of 1cm bamboo fiber was 2.5%, the optimum dosage of 2cm bamboo fiber was 2.0%, and the optimum dosage of 3cm bamboo fiber was 1.5%.

Asphalt concrete with bamboo fibers; mechanical properties

TU528.42

A

1000-2324(2019)04-0593-04

2019-01-23

2019-03-15

全國教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)課題:綠色設(shè)計(jì)理念在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究(EDUZH130003)

李靜(1981-),女,本科,講師,主要研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)、室內(nèi)外設(shè)計(jì).E-mail:xiayepiaoxue@Sohu.com