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原文传递纤维沥青胶浆及沥青混合料协同作用与机制研究

论文题名：	纤维沥青胶浆及沥青混合料协同作用与机制研究
关键词：	路面材料;沥青混合料;沥青胶浆;纤维特征参数;协同作用
摘要：	纤维沥青混合料具有更突出的性能优势，是目前建设长寿命、耐久性路面重要的革新材料之一。纤维对沥青混合料的增强效果是显著的，但纤维种类、纤维特征参数等与沥青混合料的协同作用机制尚不明确，成为纤维沥青混合料应用与发展的瓶颈问题。本论文从纤维/沥青胶浆、纤维/沥青混合料两个层面对纤维种类及特征参数与基体的协同作用及机制进行研究。主要研究工作与结论如下: 　　纤维沥青胶浆协同作用研究。对不同温度条件下纤维沥青胶浆的性能进行测试并采用性能模型和双因素方差分析法对不同种类及特征参数的纤维与沥青胶浆的协同作用进行研究。结果表明纤维不同程度地改善了沥青胶浆的高温性能和疲劳寿命并显著提高了沥青胶浆的断裂性能和拉伸应力，但降低了沥青胶浆的延度和蠕变速率。综合纤维沥青胶浆的性能规律可知，当纤维种类与长度相同时，纤维直径越小，沥青胶浆的性能越好;当纤维种类与直径相同时，随纤维长度的增大，沥青胶浆的性能则出现先升高后降低的趋势。通过性能模型和双因素方差分析结果可知，纤维长度和直径对沥青胶浆性能影响权重的排序分别为:6mm＞3mm＞12mm,7μm＞16μm＞25μm。　　纤维沥青胶浆协同作用机制研究。通过对纤维沥青胶浆粘结强度、结构沥青性能以及纤维沥青胶浆界面性能的分析，研究了纤维种类及特征参数与沥青胶浆的协同作用机制。结果表明:纤维通过提高沥青胶浆的粘度增强了纤维沥青胶浆的粘结强度，同时对结构沥青的比例与强度也具有显著的增强作用。与玻璃纤维和聚酯纤维相比，玄武岩纤维对沥青胶浆性能的改善效果最优且受纤维特征参数的影响较为突出。单丝纤维拉拔试验结果表明纤维的种类、比表面积等都是影响纤维沥青胶浆界面作用的关键因素。单丝纤维理论临界嵌入长度的结果表明，纤维长度与纤维理论临界嵌入长度越接近越有利于提高纤维对沥青胶浆的增强作用，6mm长纤维对提高沥青胶浆的性能有绝对的优势。　　纤维沥青混合料协同作用研究。对纤维沥青混合料高温、中温和低温下的力学特性进行研究并利用性能模型分析纤维与沥青混合料的协同作用关系。结果表明沥青混合料的高温稳定性、抗疲劳性能和低温抗裂性均随着纤维的掺入得到不同程度地提高。与纤维沥青胶浆的规律一致，当纤维种类和直径相同时，沥青混合料的性能随纤维长度的增大先提高后降低;当纤维种类和长度相同时，沥青混合料的性能则随纤维直径的增大而降低。通过纤维沥青混合料性能模型的分析可知，纤维对沥青混合料性能的影响首先取决于纤维长度、直径等特征参数;其次,纤维的断裂伸长率、表面性质和分布形态等也显著影响了对基体的改性效果。　　纤维沥青混合料协同作用机制研究。通过分析纤维沥青混合料在多种温度条件下的动态模量和相位角及其主曲线，基于数字散斑技术(DIC)裂缝的开裂行为并结合等效截面理论对不同种类及特征参数的纤维与沥青混合料的协同作用机理进行研究。纤维种类及特征参数对沥青混合料性能的影响规律与沥青胶浆一致，不同种类及特征参数的纤维对不同温度下沥青混合料的弹性成分和粘性成分的比例有着显著影响。高温时当纤维的比表面积与数量相对较大时有利于实现对沥青的吸附和对沥青流动的限制，此时沥青混合料的存储模量增大，损耗模量减小，显著提高了沥青混合料的高温抗变形能力;低温时纤维有利于降低沥青混合料内部的能量累积，增加内摩擦力，此时存储模量和损耗模量均减小，显著提高了沥青混合料的抗裂性能和韧性。由DIC技术分析结果可知，纤维的掺入显著提高了沥青混合料的起裂能和开裂时的能量损耗，提高了加载能量随裂纹的增长速率同时改变了裂纹的扩展方向，显著地延缓了裂纹的开裂。等效截面理论分析表明，当纤维长度相同时，纤维的模量越大，纤维直径越小对沥青混合料性能的提升作用越好。　　通过对纤维/沥青胶浆及纤维/沥青混合料的协同作用分析提出了以性能为导向的适用于AC-13沥青混合料的纤维选择准则:(1)纤维模量优先准则;(2)纤维直径最小准则;(3)6mm长度最佳准则;(4)比表面积与单丝数量优先准则。遵循纤维的选择准则有利于提高纤维与沥青胶浆及沥青混合料的协同作用,为高性能纤维沥青混合料的应用提供理论参考。
作者：	徐俊
专业：	土木工程
导师：	康爱红
授予学位：	博士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2023