CN101215123A - 多组分纤维复合沥青混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多组分纤维复合沥青混凝土及其制备方法，该混凝土包含粗集料、细集料和矿粉填料及沥青，还包含多组分纤维材料，其掺入量为所述多组分纤维复合沥青混凝土质量的0.2～0.4％wt。该混凝土的制备方法是：先将集料加热至170℃和多组分纤维拌和，然后与150℃～170℃的沥青拌和，再加入矿粉填料拌和均匀后采用马歇尔击实法将多组分纤维复合沥青混凝土两面各击实75次，或者采用轮碾法成型，往返碾压15～18次，或者采用旋转压实法根据具体情况选择旋转压实次数成型。本发明对于多组分纤维复合沥青混凝土在高等级路面上的大规模推广应用、降低工程造价、提高路面的使用品质等方面具有重大的经济和社会效益。

Description

多组分纤维复合沥青混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及沥青混凝土，特别是涉及一种能使路用性能明显改善的多组分纤维复合沥青混凝土及其制备方法。

背景技术

国内外几十年的高等级公路建设的实践表明，由于交通量、汽车载重量的不断增加和自然因素的影响，按现行路面设计体系和标准设计的沥青路面常常在远未达到设计使用年限时，就会出现沥青路面的早期破坏甚至是结构性破坏。因此，为了延长道路的使用寿命，减少维修养护费用，必须采用有效的改性增强方法和手段提高沥青路面的使用品质。

纤维改性沥青混凝土是一种通过掺入纤维材料，改善沥青胶浆以及沥青混合料的综合性能，从而提高沥青路面使用品质的复合材料。相比于其它改性方法(如聚合物改性)，纤维改性沥青混凝土的突出特点是能阻止混凝土结构中裂缝的扩展(包括温缩裂缝和反射裂缝)并减少车辙流动变形和疲劳破坏的出现，对于延长沥青路面的使用寿命具有显著作用，从而达到提高公路建设投资效益的目的，因此纤维改性沥青混凝土近年来得到了越来越多的研究和应用。纤维的掺入能使沥青混合料的路用性能得到提高的关键在于纤维对沥青混凝土的稳定与加筋作用，木质素纤维主要表现为依靠吸附稳定沥青来提高热稳定性，但对沥青混合料的其它性能无明显改善作用，由于其较低廉的价格，该类纤维在实际工程中应用较广泛；而聚酯和聚丙烯腈等聚合物纤维除了具有一定的吸附稳定作用之外，其对沥青的桥接加筋作用更加明显，因此沥青混合料的各项路用性能均能得到很大程度的提高，但由于聚酯纤维和聚丙烯腈纤维等聚合物纤维的价格昂贵因素，制约了该类纤维复合沥青混凝土在实际工程中的应用。

由于沥青混合料自身具有多相、多组分、多层次的非均质结构特征，单一纤维增强作用是有限的，而不同界面结构和不同物化性能的多组分纤维，可在沥青混凝土的不同结构和不同性能层次上起到逐级稳定与加筋强化的作用。充分发挥各种纤维的界面结构和物化性能效应，并在不同层次上相互激发、相互补充，可达到取长补短的效果，从而达到进一步提高沥青混凝土路用性能并降低工程造价的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够用于沥青路面不同结构层次的多组分纤维复合沥青混凝土，以促进纤维沥青在高等级路面上的应用，并降低纤维复合沥青混凝土的工程造价。同时，提供简易室内试验方法来制备这种多组分纤维复合沥青混凝土，以利于设计、应用。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的多组分纤维复合沥青混凝土，包含粗集料、细集料、矿粉填料、沥青和多组分纤维材料，多组分纤维材料掺入量为所述多组分纤维复合沥青混凝土质量的0.2～0.4％wt。

本发明还提供了上述的多组分纤维复合沥青混凝土的制备方法，包括拌和及成型工艺，具体是：先将集料加热至170℃和多组分纤维拌和，然后与液态沥青拌和，再加入矿粉填料，拌和均匀后采用马歇尔击实法将多组分纤维复合沥青混凝土两面各击实若干次后成型，或者采用轮碾法往返碾压后成型，或者采用旋转压实法后成型，得到多组分纤维复合沥青混凝土的成品。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

通过添加多组分纤维，能够制备出路用性能满足高等级公路国家规范要求的多组分纤维复合沥青混凝土。这种新型沥青混凝土的性能大大优于单一木质素纤维沥青混凝土并能接近甚至超过单一聚酯或聚丙烯腈纤维沥青混凝土的性能，而在生产成本上却比单一聚酯或聚丙烯腈纤维沥青混凝土低。这对于纤维沥青混凝土在高等级路面上的大规模推广应用、降低工程造价、提高路面的使用品质等方面具有重大的经济和社会效益。

我们通过研究发现：使用改性沥青，掺加0.2％～0.4％重量比的多组分纤维沥青混合料的密度为2.480g/cm³～2.520g/cm³，空隙率为4.0％～4.5％，马歇尔稳定度为10～14kN，流值为2～5mm，冻融劈裂残留强度比为85-92％，均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求。使用改性沥青，掺加0.2％～0.4％重量比的多组分纤维沥青混合料的动稳定度为5000～7000次/mm，若掺加道路石油沥青的沥青，多组分纤维复合沥青混合料动稳定度为1000～4000次/mm，均满足相应规范要求。

附图说明

图1为本发明多组分纤维复合沥青混凝土制备流程图。

图2显示了本发明多组分纤维复合沥青混合料车辙动稳定度的试验结果。图中编号1为单掺木质素纤维沥青混合料试件，编号2为掺加木质素纤维与聚酯纤维沥青混合料试件，编号3为单掺聚酯纤维沥青混合料试件。

图3显示了本发明多组分纤维复合沥青混合料车辙深度的试验结果图。图3中编号意义与图2中相同。

具体实施方式

本发明提供的是一种多组分纤维复合沥青混凝土，包含粗集料、细集料、矿粉填料、沥青和多组分纤维材料，多组分纤维材料的掺入量为所述多组分纤维复合沥青混凝土质量的0.2～0.4％wt。

所述的多组分纤维材料，由木质素纤维按20～50％wt的比例掺杂到聚酯纤维或聚丙烯腈纤维中的一种或一种以上中获得。

本发明提供的上述多组分纤维复合沥青混凝土，其制备方法是采用三次拌和，然后成型的工艺，如图1所示，具体是采用以下步骤的方法：

(1)拌和：按所述多组分纤维复合沥青混凝土质量的0.2～0.4％wt的比例将多组分纤维材料掺入到加热至170℃的混合集料中，拌和30～50秒钟，然后加入150～170℃液态沥青拌和80～90秒钟，再加入矿粉填料拌和80～90秒钟，得到多组分纤维复合沥青混凝土的半成品，其中混合集料与沥青及矿粉填料的配比根据《公路沥青路面施工技术规范》中的设计要求调整确定。

上述的多组分纤维材料，可由木质素纤维按20～50％wt的比例掺杂到聚酯纤维或聚丙烯腈纤维中的一种或一种以上中获得。

(2)成型：采用马歇尔击实法，将多组分纤维复合沥青混凝土两面各击实70～80次；或者采用轮碾法成型，先在一个方向往返预压3次，然后调转180°往返碾压12～15次；或者采用旋转压实法根据具体情况选择旋转压实次数成型，当设计累计标准轴载次数(ESALs)≥30(百万)时，旋转压实参数分别为N_初始＝9，N_设计＝125，N_最大＝205。经过击实成型工艺，最终得到多组分纤维复合沥青混凝土的成品，其油石重量比为5.1～6.2％。

下面结合具体实例对本发明作进一步说明，但并非限定本发明只适用于以下实例。

采用下述的原材料，按照前述的制备方法，制备普通密级配(AC)13多组分纤维复合沥青混凝土、高性能沥青路面(Superpave)12.5多组分纤维复合沥青混凝土和沥青马蹄脂碎石(SMA)16多组分纤维复合沥青混凝土。

原材料：

1.多组分纤维：由木质素纤维与聚酯纤维或聚丙烯腈纤维的一种或一种以上组成；

2.沥青：湖北科氏SBS I-D改性沥青；

3.集料：京山玄武岩，最大粒径为19mm，集料规格分为9.5～19mm，4.75～9.5mm，2.36～4.75mm，0～2.36mm四种；

4.矿粉：亲水系数为0.9。

成型：

沥青混合料体积性能试验试件通过用马歇尔击实仪两面各击实75次而成，试件直径为101.6±0.2mm，试件高度为63.5±1.3mm。混合料冻融劈裂试验试件两面各击实50次，试件直径为101.6±0.2mm，试件高度为63.5±1.3mm。车辙试验试件按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0703-1993的轮碾法制作，试件尺寸为长300mm×宽300mm×高50mm。

实施例1

普通密级配(AC)13多组分纤维复合沥青混凝土的合成级配设计，见表1。

普通密级配(AC)13多组分纤维复合沥青混凝土：最佳油石比为5.2％，多组分纤维用量为0.3％，多组分纤维沥青混合料试件空隙率为4.0％，马歇尔稳定度为12.8kN，流值为3.5mm，残留稳定度为90.5％，冻融劈裂强度比为87.6％，车辙动稳定度为5823次/mm。

实施例2

高性能沥青路面(Superpave)12.5多组分纤维复合沥青混凝土混合料的合成级配设计，见表2。

高性能沥青路面(Superpave)12.5多组分纤维复合沥青混合料：最佳油石比为5.1％，多组分纤维用量为0.3％，多组分纤维沥青混合料试件空隙率为4.2％，马歇尔稳定度为13.2kN，流值为3.0mm，残留稳定度为91.6％，冻融劈裂强度比为88.4％。

本例中还专门对单掺木质素纤维、单掺聚酯纤维及掺加多组分纤维的沥青混合料的车辙动稳定度及车辙深度进行了对比见图2、图3。由图2结果可见，试件1的车辙动稳定度为5164次/mm，试件2的动稳定度为6879次/mm，试件3的动稳定度为7472次/mm，试验结果表明木质素纤维沥青混合料的车辙动稳定度最低，而聚酯纤维沥青混合料的动稳定度最高，多组分纤维复合沥青混合料的动稳定度介于二者之间，而与纯聚酯纤维沥青混合料相差甚小。由图3结果可见，木质素纤维沥青的车辙深度最大，为1.778mm，其次为多组分纤维复合沥青混合料为1.566mm，聚酯纤维沥青混合料的车辙深度最低，仅为1.532mm。

实施例3

沥青马蹄脂碎石(SMA)16多组分纤维复合沥青混凝土混合料的合成级配设计，见表3。

沥青马蹄脂碎石(SMA)16多组分纤维沥青混合料：最佳油石比为6.2％，多组分纤维用量为0.3％，多组分纤维沥青混合料试件空隙率为4.0％，马歇尔稳定度为11.2kN，流值为3.2mm，残留稳定度为89.8％，冻融劈裂强度比为85.2％，车辙动稳定度为6824次/mm。

附表

表1    普通密级配(AC)13多组分纤维复合沥青混合料的合成级配设计

孔径mm	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
											合成级配％	100	91.8	70.6	38.8	27.1	21.8	17.5	12.7	9.1	6.1

表2    高性能沥青路面(Superpave)12.5多组分纤维复合沥青混合料的合成级配设计

孔径mm	19	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
											合成级配％	100	93.0	79.6	50.6	33.2	23.1	16.8	12.0	8.7	5.3

表3    沥青马蹄脂碎石(SMA)16多组分纤维沥青混合料的合成级配设计

孔径mm	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
											合成级配％	97.3	83.8	60.3	28.9	17.3	14.8	13.1	12.2	11.3	9.9

Claims (7)

1.一种多组分纤维复合沥青混凝土，包含粗集料、细集料和矿粉填料及沥青，其特征是还包含多组分纤维材料，其掺入量为所述多组分纤维复合沥青混凝土质量的0.2～0.4％wt。

2.如权利要求1所述的多组分纤维复合沥青混凝土，其特征是所述的多组分纤维材料，由木质素纤维按20～50％wt的比例掺杂到聚酯纤维或聚丙烯腈纤维中的一种或一种以上中获得。

3.一种多组分纤维复合沥青混凝土的制备方法，包括拌和及成型工艺，其特征是先将集料加热至170℃和多组分纤维拌和，然后与液态沥青拌和，再加入矿粉填料，拌和均匀后采用马歇尔击实法将多组分纤维复合沥青混凝土两面各击实若干次成型，或者采用轮碾法往返碾压成型，或者采用旋转压实法成型。

4.如权利要求3所述的多组分纤维复合沥青混凝土的制备方法，其特征是采用三次拌和，然后成型的工艺，具体是采用以下步骤的方法：

(1)拌和：按所述多组分纤维复合沥青混凝土质量的0.2～0.4％wt的比例将多组分纤维材料掺入到加热至170℃的混合集料中，拌和30～50秒钟，然后加入150～170℃液态沥青拌和80～90秒钟，再加入矿粉填料拌和80～90秒钟，得到多组分纤维复合沥青混凝土的半成品；

(2)击实成型：采用马歇尔击实法，将多组分纤维复合沥青混凝土两面各击实70～80次；或者采用轮碾法成型，先在一个方向往返预压3次，然后调转180°往返碾压12～15次；最终得到击实成型的多组分多组分纤维复合沥青混凝土。

5.如权利要求4所述的多组分纤维复合沥青混凝土的制备方法，其特征是所述的多组分纤维材料，由木质素纤维按20～50％wt的比例掺杂到聚酯纤维或聚丙烯腈纤维中的一种或一种以上而得。

6.如权利要求4所述的多组分纤维复合沥青混凝土的制备方法，其特征是所述的多组分纤维复合沥青混凝土，其油石重量比为5.1～6.2％。

7.如权利要求4所述的多组分纤维复合沥青混凝土的制备方法，其特征是采用旋转压实法，对多组分纤维复合沥青混凝土的半成品成型。

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