不同纤维及道路使用性研究.docx

1、不同纤维及道路使用性研究 项目编号： 江苏省交通科学研究计划项目申 请 书项目名称： 路用纤维性能及适用性研究 申请单位： 项目负责人： 申请日期： 二OO六年一月十日 项目归口管理部门： 江苏省交通厅 江 苏 省 交 通 厅二OO一年制项 目 名 称路用纤维性能及适用性研究研究起止日期2006年 6月至2007年6 月项目申请单位名 称项目负责人项目联系人通讯地址邮政编码传 真电 话电子邮件 申请单位意见： 申请单位负责人（签章）： （单位公章） 年 月 日归口申请单位名 称项目负责人项目联系人通讯地址邮政编码传 真电 话电子邮件 申请单位意见： 归口管理部门负责人（签章）： （单位公章）

2、年 月 日一、立项背景和依据（包括项目的研究目的、国内外现状分析与评价，应附主要参考文献及出版）一、课题背景及意义江苏省地处长江中下游，经济发达，公路网完善，高等级路面的质量和形式也处于国内领先地位。然而，由于交通量大、重载车辆多、渠化交通严重以及阴湿多雨等因素，提高沥青混合料的品质，改善沥青路面的使用性能，延长路面的使用寿命以及提高投资效益依然是我省乃至全国交通行业所面临的重要课题。为了提高沥青路面质量，国际上对改善沥青混合料路用性能的研究一般分为三种，一是改善矿质混合料的级配以提高沥青混合料的高温抗变形能力，从而形成了不同的沥青混合料新技术如沥青玛蹄脂碎石SMA、大粒径沥青混凝土LSM、多

3、碎石沥青混凝土SAC等；另一种是改善沥青性能品质以提高沥青混合料的粘聚力、抵抗永久变形的能力和温度适应能力，如SBS改性沥青，SBR改性沥青，PE改性沥青等；第三种是在沥青混合料中加入纤维加筋材料以改善其整体的物理力学性能。我国在前两种改善措施的引进和研究上相对比较广泛和深入，并取得了大量的研究和应用成果，而在路用纤维的研究上却相对比较落后。因此，旨在提国内外研究现状高沥青混凝土性能的添加剂成为一种重要的解决方案，纤维是外掺剂的重要组成部分。路用纤维是一种引人注目的新型混合料添加剂和稳定剂，具有高强、耐久、质轻等特点。把纤维加入混合料中所形成的纤维混凝土具有以下优点：1 改善沥青路面的高温稳定

4、性软质纤维经搅拌均匀后,分布于沥青混合料中,由于纤维的吸附、稳定及多向加筋作用使混合料的高温稳定性能得到改善。2 改善沥青路面的疲劳耐久性由于纤维数量巨大,且均匀分布的纤维使沥青混合料的劲度模量增加。故而沥青混合料疲劳耐久性改善,可以延长沥青路面的使用寿命。3 改善低温抗裂性能许多路用纤维在低温下仍呈柔性,且具有较高的抗拉强度,混合料中纵横交错的纤维使混合料具有了较高的弹性,能有效地抵抗温度应力,减少温缩裂缝的产生。4 防止反射裂缝各向同性的纤维可以防止反射裂缝的发展。国外的研究和应用实践表明，加筋纤维使沥青混合料的整体性能有了普遍的提高，疲劳寿命提高了25%45%，车辙可减少45%53%，同

5、时，纤维混凝土的制作工艺简便，仅在混合料中添加纤维，而并不需要改变混合料的级配，基于以上优点，纤维混凝土得到了十分广泛的应用。路用纤维通常有硬纤维和软纤维之分，硬纤维是指经过拉、拔、压、切工艺制作的钢纤维，而软纤维是由合成纤维制成。在国外，路用纤维通常有以下几种：钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维、有机纤维、植物纤维（木质纤维）。1 有机纤维有机纤维混凝土是近十年来的后起之秀，随着化学工业技术的进步，各种性能优良的合成纤维不断出现，不断为改善混凝土性能提供更新的复合纤维。目前以聚丙烯纤维为代表的各种有机纤维在改善混凝土性能方面己开始发挥重要的作用。常用的有机纤维有尼龙纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤

6、维、聚丙烯晴纤维和聚脂纤维等。虽然有机纤维的出现时间比较短，但由于有机纤维具有优良的抗拉、抗震、抗裂和适当的延展能力，在沥青混合料中添加纤维以后，沥青路面具有较好的强度、稳定性和耐久性，因此，有机纤维在沥青路面中的应用十分广泛和迅速。2 植物纤维植物纤维的原料多为木材，植物纤维多应用于SMA路面当中。由于植物纤维材料易得且施工简便，在美国等国家均有成功的应用例子。植物纤维常见的有木质素纤维，木质素纤维是天然木材经过化学处理得到的有机纤维。由于处理温度高达250以上，在通常条件下是化学上非常稳定的物质，不为一般的溶剂、酸、碱腐蚀。未经处理的木质素纤维也用作食品添加剂，是减肥食品，所以对人体无害，

7、不影响环境，不造成公害。我国目前生产木质素纤维的厂家也较多，在江苏省已建和在建的高速公路上面层SMA中均掺加了该纤维，已得到了较大力度的推广应用。3 矿物纤维在矿物纤维中，最早使用的是石棉纤维。北京市公路局在修建首都机场高速公路、八达岭高速公路和东西长安街时，由于缺乏合适的纤维，一直使用国产的石棉纤维。据了解，国外一开始也曾使用过石棉纤维，现在已经较少使用了。1987年，由美国佛罗里达州迈阿密的斐伯兰德公司采用玄武岩制成矿物纤维，并应用SMA和OGFC，在乔治亚亚特兰大周围的I-75号州际高速公路等工程进行了大量使用，使用效果较好。目前，在我国矿物纤维的使用范围已逐渐扩大，但应用经验相对较少。

8、我国在钢纤维、玻璃纤维上的应用和研究相对比较多，而在对机纤维、植物纤维以及矿物纤维的研究则相对为少，然而后三种纤维对沥青路面的整体性能改善却具有显著的作用。但路用纤维种类繁多，有机纤维、木质素纤维以及矿物纤维等等，如何评价其性能和使用场合，合理的利用之，如何对纤维混合料的施工工艺与质量控制提出明确的指导性技术标准，这些一直是困扰大家的一大问题急需解决。因此，为提高江苏省以及我国道路的整体性能和使用品质，有必要对对有机纤维、植物纤维以及矿物纤维的性能以及在沥青路面中的适用性进行研究，以给后续的设计与施工提供参考。二、国内外研究现状及评述1、国内外研究现状对纤维以及纤维应用于混凝土的研究最早出现于

9、20世纪，1907年原苏联专家B.H .He kpocaB开始用金属纤维增强混凝土。1910年，美国H. F. Porter建议将薄钢片均匀撒布在混凝土中以强化混凝土材料。1911年，美国Graham曾把钢纤维掺入普通混凝土中得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结果。 20世纪70年代德国人首先将纤维应用于沥青玛蹄脂碎石，之后80年代纤维很快在西欧得到应用，欧洲在沥青混合料中使用纤维主要是为了增加沥青用量，以加强沥青混凝土在大空隙率情况下的粘结力，增强耐久性。日本最早在沼原水库使用石棉，以后在一些要求抗车辙、耐磨耗的路面上应用，并在1992年12月新版的沥青路面要纲中列出了可用于沥青混合料的适宜

10、纤维种类：植物型纤维和耐高温的合成纤维如聚酯纤维和聚丙烯纤维。美国1990年派大型代表团到欧洲考察，回国后受启发，结合美国具体情况，也进行了大规模的纤维加强沥青混凝土试验研究和推广应用，现已在SHRP研究项目中铺筑了试验路。美国自 80年代以来，广泛开始了加强沥青材料的应用研究，在纤维加强沥青混凝土路面方面作了大量的工作，并且卓有成效。其中由美国的杜邦公司开发研制的博尼维(BoniFibers)最为著名，并取得了专利。纤维特别是博尼维纤维(BoniFibers)在沥青混合料中的应用终结了沥青混凝土工程不可加强的时代。美国、加拿大等国己利用博尼维纤维修筑了高速公路及其它重交通量的公路。通过观测和

11、研究，博尼维纤维可以改善沥青路面的高温稳定性和疲劳耐久性，并且具有低温抗裂和防止反射裂缝的性能。正是由于具有以上优良品质，博尼维纤维也被用在机场路面、桥面铺装、收费站等铺面中。我国对纤维性能及纤维在沥青路面中的应用研究相对比较晚，但由于纤维沥青路面的优良路用性能，国内研究者纷纷进行相关实验研究，如“将炭纤维用于加固钢筋混凝土构件的行为透视”，可以提高承载力，延长使用寿命；“网状聚丙烯纤维在超薄水泥混凝土路面中的应用”，可以改善混凝土抗弯拉强度，提高柔韧性，优良弯曲疲劳性，提高混凝土耐磨性；“木质纤维在中的性能评价”，提高抗车辙性；“聚脂纤维对性能影响的研究”，很好地改善SMA的体积和路用性能。

12、“玻璃纤维土工格栅在沥青路面中应用”，极大地提高了沥青路面抵抗拉应力与变形能力，对防治反射裂缝有较大作用，并提高了沥青混合料的高温抗车辙能力与低温抗裂能力，从而提高了沥青路面抗疲劳性能，改善沥青路面的使用性能。除此之外，自1988年以来，国内已经具有一些把纤维成功应用于路面建设的例子，如长江二桥业主为保证桥梁在使用15年内不大修，在21公里的道路引桥、路面中使用了加强纤维。河北省在许多各种等级公路建设中的桥面铺装、伸缩缝处理中采用了大量钢纤维混凝土。天津市也在许多道路工程中应用了钢纤维混凝土，如近几年在外环线改造工程、津围公路改造工程、京沈等高速公路工程的桥面伸缩缝面层处理及部分路段的面层等部

13、位中大量应用了钢纤维混凝土，并取得了较好的效果。河北石黄高速公路，内蒙古210国道新建道路以及北京市二环道等工程均使用了纤维。2、国内外研究现状评述纤维应用于沥青混合料能够取得良好的路用性能，在稳定性、耐久性、疲劳性能以及抗冲击性能上都有显著的改善，但我国的路用纤维研究总体上落后于国外，特别在有机纤维、植物纤维以及矿物纤维的性能及应用研究上。我国沥青路面多采用半刚性基层，而国外柔性基层为多，半刚性基层与柔性基层路面在力学性质、病害形式上都有较大的差异，因此虽然我国在纤维性能与路面应用研究上落后于外国，但对于国外纤维处治沥青路面的技术却不能简单套用。需要根据环境、气候、交通量等因素进行因地制宜的

14、研究。虽然我国已经具有一些成功应用的例子，但总体上有机纤维、植物纤维以及矿物纤维的性能及应用研究还不够深入而且不系统，没有形成指导性的技术指标。鉴于纤维在道路上的优点以及前景，有必要开展有机纤维、植物纤维以及矿物纤维的性能研究和适用研究，为我省以及我国的道路行业提供指导性的研究结果。二、研究方案本课题的主要研究内容：各种纤维的性能以及沥青路面的适用性研究。1不同纤维作用机理研究广泛收集国内外关于有机纤维、植物纤维以及矿物纤维性能研究以及在沥青混合料中的应用研究资料，调查国外纤维加强沥青路面的设计、施工以及实验资料，国内已经具有的纤维混凝土使用经验及设计、实验、施工和运营资料，为本课题的研究提供

15、参考。2、不同纤维指标评价体系研究（1）有机纤维、植物纤维以及矿物纤维材料物理性能的比较分析, 包括纤维长度、直径、容重等。（2）力学指标研究：包括有机纤维、植物纤维以及矿物纤维断裂强度、抗张强度、断裂延伸率等。（3）混合料性能指标研究：对三种纤维分别对其同类产品的不同品牌进行混合料性能比较试验，包括抗水损害性能、高温和低温稳定性能、疲劳性能。（4）厂家信誉可靠度分析：对生产不同纤维的厂家的生产供货能力、企业信誉、产品质量等方面，进行广泛调研，综合评价企业的产品生产销售影响力和保证产品质量上有何有效措施。（5）指标评价体系分析：根据不同纤维原材料质量、混合料性能比较结果、厂家信誉可靠度等几方面

16、，建立不同纤维指标质量评价方法。3、不同纤维改善沥青混合料性能研究（1）强度指标研究测定有机纤维、植物纤维以及矿物纤维沥青混合料的抗压、抗拉以及劈裂强度等，比较不同纤维沥青混合料在力学性能上的差异。（2）稳定性研究各种纤维材料对沥青混合料抗高温稳定性研究，比较不同纤维对沥青混合料高温抗车辙性能的改进作用以及不同纤维改进作用的差别；各种纤维材料对沥青混合料低温小梁弯曲性能的影响研究，比较不同纤维对沥青混合料低温抗弯拉性能的改进作用以及不同纤维改进作用的差别；（3）耐久性研究各种纤维材料对沥青混合料小梁疲劳性能的影响研究，比较不同纤维对沥青混合料抗疲劳性能的改进作用以及不同纤维改进作用的差别；不同

17、纤维材料对沥青混合料水稳定性能的影响研究，比较不同纤维对沥青混合料水稳定性能的改进作用以及不同纤维改进作用的差别；不同纤维材料对沥青混合料冻融劈裂性能的影响研究，比较不同纤维对沥青混合料冻融劈裂性能的改进作用以及不同纤维改进作用的差别；4、不同纤维的适用性研究（1）不同沥青路面结构掺不同纤维研究采用AC-25S、AC-20S、AK-13S及Sup25、Sup20、SMA-13S、OGFC13、PA等常用路面结构型式掺不同纤维，测定其抗水损害性能、高低温性能、疲劳性能指标，与其不掺纤维混合料进行比较，分析掺不同纤维沥青混合料对不同沥青路面结构型式的改善作用及不同纤维改善作用的差别。（2）不同沥青

18、掺不同纤维研究选择有代表性的不同纤维，采用道路石油70号沥青、SBS改性沥青、硬质沥青、橡胶沥青等常用沥青，选用同种路面结构添加一定量的不同纤维，与不掺纤维混合料进行比较，测定抗水损害性能、高低温性能、疲劳性能指标，比较不同沥青对不同纤维沥青混合料性能的改进作用及不同纤维改善作用的差别。5、不同纤维的施工工艺研究（1）施工工艺研究选择合适的具有代表性的有机纤维、植物纤维以及矿物纤维，铺筑试验路，研究纤维加筋沥青混凝土的施工工艺和施工质量控制。（2）现场验证对实验路进行跟踪观测，对试验段的各项性能进行观测研究。6、不同纤维的经济技术评价对不同纤维铺筑的实验路进行整体经济性分析，为今后试验路的推广

19、应用提供基础。4、拟解决的关键问题：（1）各种纤维材料物理力学性能评价；（2）建立不同纤维质量指标评价体系方法；（3）各种纤维加筋沥青混合料强度、刚度、稳定性、耐久性试验研究；（4）各种纤维沥青路面的施工工艺及质量控制研究；（5）各种纤维沥青路面的适用性及经济技术评价；（6）建立各种纤维原材料的技术标准及各种纤维混合料技术标准和施工指导意见，主要为有机纤维、木质纤维、矿物纤维。5、项目实施方案和研究、试验方法：（1）不同纤维材料物理性能的比较分析选取几种有代表性的有机纤维、植物纤维以及矿物纤维，比较分析纤维材料的性能差异，包括纤维长度、直径、断裂强度、抗张强度、断裂延伸率等；（2）各种纤维材料

20、对沥青混合料水稳定性能和冻融劈裂性能的影响研究，分别对碳纤维、有机纤维以及植物纤维混合料以及无纤维混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，研究不同纤维对沥青混合料水稳定性能和冻融劈裂性能的改进作用以及不同聚酯纤维改进作用的差别；浸水马歇尔试验 采用标准击实法成型直径101.60.2mm、高度63.51.3mm的马歇尔试件，并将试件分别置于601的恒温水浴中浸水保温3040min和48h，然后以ELE自动马歇尔稳定度实验仪分别试验上述试件的非条件和条件马歇尔稳定度MS和MS1，并按照MS0 = MS1 / MS * 100计算试样的浸水马歇尔残留稳定度，比较不同纤维对试样浸水马歇尔残留稳定度的影

21、响。冻融劈裂试验 该试验是测定混合料试件在受到水损害前后劈裂破坏的强度比，以评价沥青混合料的水稳定性能。该试验采用马歇尔击实法成型直径101.60.2mm、高度63.51.3mm的试件，双面各击实50次、将试件分成两组，第一组试件置于平台上在室温下保存备用；第二组试件进行真空饱水，即在98.398.7KPa（730740mmHg）真空条件下保持15min，然后打开阀门恢复常压，试件在水中放置0.5h。取出试件放于塑料袋中，加入约10ml水，扎紧袋口，将试件放入恒温冰箱，冷冻温度为：182，保持161h。然后将第一组与第二组全部试件浸入温度为250.5的恒温水槽中2h，取出试件立即以路测仪或SS

22、T材料试验机进行劈裂试验，采用30kN或60kN传感器、50mm/min加载速率，得出试件的最大荷载，然后计算条件和非条件下试件的劈裂抗拉强度RT2和RT1，并按照TSR（RT2/RT1）*100 计算无纤维及掺不同纤维的马歇尔试件的冻融劈裂抗拉强度比，比较其性能。（3）不同纤维材料对沥青混合料高温性能的影响研究分别对碳纤维、有机纤维以及植物纤维混合料以及无纤维混合料进行高温抗车辙试验，研究各种纤维对沥青混合料高温性能的改进作用以及不同纤维改进作用的差别：车辙试验用于检验沥青混合料高温稳定性。试验采用轮碾成型法制作尺寸为300mm*300mm*50mm的车辙试验试块。试块成型后连同试模一起在常

23、温下放置不少于12h，对于聚合物改性沥青混合料，放置时间宜为48h，使聚合物改性沥青充分固化后方可进行车辙试验，但室温放置试件不得长于一周。试验前将试件连同试模一起置于已达到试验温度601的恒温室中，保温不少于5h，不多于24h。在试件的试验轮不行走的部位上，粘贴上一个热电偶温度计，控制试件温度稳定在600.5，然后将试件连同试模移置于轮辙试验机的试验台上，控制试验轮与试件的接触压强60时为0.70.05MPa，试验轮在试件的中央部位、其行走方向须与试件碾压或行车方向一致。开动车辙变形记录仪，然后启动试验机，使试验轮往返行走，时间约1h，或变形达到25mm时为止。试验时记录仪自动记录变形曲线及

24、试件温度。从车辙试验自动记录的变形曲线上读取45min（t1）及60min（t2）时车辙变形d1和d2，当变形过大，在未达到60min变形已达到25mm时，则以达到25mm（d2）的时间为t2，将其前15min为t1，此时的变形量为d2。由此计算混合料试件的动稳定度DS=( t2-t1)*N/( d2-d1)并比较不同纤维和无纤维条件下的动稳定度性能。（4）各种纤维材料对沥青混合料低温性能的影响研究以SST剪切试验仪分别对有机纤维、植物纤维以及矿物纤维混合料以及无纤维混合料进行低温小梁弯曲试验，研究各种纤维对沥青混合料低温性能的改进作用以及不同纤维改进作用的差别；该试验用于测定热拌沥青混合料在

25、规定温度和加载速率下，弯曲破坏的力学性质，以评价沥青混合料低温拉伸性能。所采用试件是由轮碾成型的板块切割而成的棱柱体，尺寸为长2502mm、宽302mm、高352mm。试验前将试件置于100.5的恒温空气浴中3h以上，直至试件内部温度达到100.5为止。试验时在梁跨下缘正中央安放位移测定装置，支座固定在试验机上。位移机测头支于试件跨中下缘中央，选择适宜的量程，有效量程应大于预计的最大挠度1.2倍。将荷载传感器、位移计、与数据采集系统相连接，以X轴为位移、Y轴为荷载，选择适宜的量程后调零。跨中挠度可以用LVDT、电测百分表或类似的位移测定仪具测定。开动压力机以50mm/min加载速率在跨径中央施

26、以集中荷载，直至试件破坏，记录仪同时记录荷载跨中绕度的曲线，根据该曲线可以计算掺纤维和无纤维试件破坏时的抗弯拉强度RB、破坏时的梁底最大弯拉应变B及弯曲劲度模量SB，藉此可以比较不同纤维对沥青混合料低温抗拉伸性能的影响及差别。（5）各种纤维材料对沥青混合料疲劳性能的影响研究采用COOPER沥青材料试验机Nu-14分别对有机纤维、植物纤维以及矿物纤维混合料以及无纤维混合料进行小梁疲劳试验，研究各种纤维对沥青混合料疲劳性能的改进作用以及不同纤维改进作用的差别。该试验是测定沥青混合料小梁试件重复弯曲直至破坏的疲劳寿命和疲劳能量，破坏点定义为试件劲度降低到初始劲度50的荷载循环次数。试验用试件为搓揉压

27、实成型试块切割而成，尺寸为长3816.35mm、高50.86.35mm、宽63.56.35mm。如果室温不是20，试验前须将试件放在201环境中至少2小时,试验时装夹好试件和LVDT等测量用具，选择试验参数如挠度水平、加荷频率、微应变等，所选择的微应变水平在劲度下降到50初始劲度时，至少能使试件寿命在10,000次以上。当所有参数选好后即可试验、监视荷记录数据。当劲度降到初始劲度50时结束试验。比较不同纤维与无纤维试件结果，评价不同纤维对混合料疲劳性能的改善作用效果。（6）选择合适的有机纤维、植物纤维以及矿物纤维，铺筑试验路，研究各种纤维加筋沥青混凝土的施工工艺和施工质量控制，并进行跟踪观测。

28、在上述研究的基础上，选择性能优良、价格合理的有机纤维、植物纤维以及矿物纤维，铺筑试验段，对试验段的各项性能进行观测研究，为纤维的推广应用做准备。6、技术路线：收集有关有机纤维、植物纤维以及矿物纤维有关资料不同纤维物理性能的比较分析沥青混合料水稳定性能、冻融劈裂性能、高温性能、低温性能、疲劳性能试验等的比较研究选择合适的纤维铺筑试验路、研究施工工艺和施工质量控制，并跟踪观测、积累应用数据试验数据汇总分析整理提交研究报告。 （可另附页）2. 年度研究计划及预期进展总的研究期限：2006年2月2008年6月1、国内外现状调查（2006.22006.4）2、不同纤维的物理指标分析（2006.52006

29、.6）3、沥青混合料水稳定性能、冻融劈裂性能、高温性能、低温性能、疲劳性能试验等的比较研究（2006.72006.9）4、选择合适的纤维铺筑试验路、研究施工工艺和施工质量控制，并跟踪观测、积累应用数据（2006.102007.12）5、试验数据汇总分析（2007.122008.4）6、完成研究报告（2008.42008.6）三、研究基础与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成就（包括近期发表的与本项目有关的主要论著、获得学术奖励的情况、正在承担的有关研究项目等） （可另附页）* 论文要写明作者、题目、刊名、年份、卷（期）、页码* 专著要写明作者、书名、出版社、年份* 研究项目要写明名称、

30、编号、任务来源、起止年月、负责或参加的情况以及与本项目的关系四、项目负责人（可另加页） 姓 名性别出生年月职务职称所学专业现从事专业所 在 单 位在本项目中承担的任务五、主要研究人员姓 名性别出生年月职务职称所学专业现从事专业所 在 单 位在本项目中承担的任务六、 经费预算经费投入概算经费支出概算科 目 预算（万元）科 目 金额（万元）交通部配套资金合 计380省科技厅配套资金土建费省交通厅科技经费50仪器、设备购置费35专项经费材料、燃动费20重点工程科研费加工费10其他330研究开发费100试验费120国内、外调研费20引进软、硬件费5劳务费10人员培训费10会议费10资料印刷费5各种税费25不可预见费10其他合 计380380注：“其他”一栏是在与上几栏内容均不相同时具体填写。七、项目负责人及主要研究人员承担的科学研究计划项目姓 名项目编号项目名称起止年月负责或参加进