掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料性能试验研究

摘要

车辙作为最常见的一种道路病害，严重影响了道路通行质量。为了解决沥青路面的车辙问题，国内外许多学者已提出各种各样的解决方法。高模量沥青混合料作为一种新型道路材料，在减少车辙病害方面具有显著优势，但是其疲劳性能有待进一步增强。玄武岩纤维是近年来逐渐兴起的一种新型矿物纤维，用于沥青混合料时既能避免传统纤维的不足，又能有效改善沥青混合料的路用性能，特别是对沥青混合料抗疲劳性能提升显著，在道路工程中正受到越来越多的关注。研究将玄武岩纤维与高模量沥青混合料相结合，充分发挥各自的优势，对于两者的推广应用具有重要的意义。
　　首先选取中面层常用AC-20C级配，对基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料、单掺玄武岩纤维沥青混合料、高模量沥青混合料以及掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料等五种混合料进行组成设计。通过马歇尔设计法确定五种沥青混合料的最佳油石比，并对混合料的马歇尔指标进行分析，结果表明玄武岩纤维能够进一步提高高模量沥青混合料的稳定度，降低流值。为确定玄武岩纤维加入后对混合料动态模量的影响，采用单轴压缩动态模量试验对混合料动态模量进行测定，结果表明玄武岩纤维加入后高模量沥青混合料模量虽有所降低，但15℃、10Hz条件下仍能达到10000MPa，依旧满足高模量的要求。
　　其次，在最佳油石比下制备五种沥青混合料，采用车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔与冻融劈裂试验及四点小梁弯曲疲劳试验对各项路用性能，包括高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及抗疲劳性能，进行对比研究。试验结果表明:玄武岩纤维能进一步提高高模量沥青混合料的抗车辙性能，延缓其在高温下的衰减;改善高模量沥青混合料的低温性能，提高其低温抗裂性;特别是对于高模量沥青混合料亟需改善的抗疲劳性能提高明显，在800微应变条件下掺玄武岩纤维后混合料疲劳寿命次数仍能达到不掺纤维的1.7倍。
　　在对混合料性能研究的基础上，对采用高模量沥青混合料中面层的路面结构进行优化。通过HPDS设计软件计算出掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料厚度最多可由6cm减薄至4.3cm。通过ABAQUS软件对路面结构进行静力学分析，层底拉应力计算表明采用高模量混合料减薄中面层厚度会引起中面层受力状况的改变，中面层材料需要有在大应力条件下具有较好的抗疲劳性能，掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料具有很好的适用性;竖向形变分析表明，掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料中面层具有更好的抗车辙能力。结合施工技术规范，最终确定掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料中面层厚度为5cm。
　　最后对掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料的经济效益、环境效益和社会效益分析进行综合评价。结果表明，使用掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料中面层虽然会增加工程建设费用，但在路面使用年限内能大大降低养护维修费用，具有突出的经济效益。玄武岩纤维是一种无机矿物纤维，其生产过程和使用过程均不会对环境造成危害，环境效益突出;玄武岩纤维沥青混合料能够保证人们的出行舒适度，具有良好的社会效益。
　　本文的研究成果为玄武岩纤维与高模量沥青混合料的推广应用提供了参考，具有一定的理论意义和实用价值。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高模量沥青混合料研究现状

1．2．2 玄武岩纤维沥青混合料研究现状

1．3 研究思路、研究内容及技术路线

1．3．1 研究思路

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

1．4 课题来源

2 沥青混合料组成设计与动态模量测定

2．1 原材料

2．1．1 沥青

2．1．2 集料和填料

2．1．3 高模量改性剂与玄武岩纤维

2．2 沥青混合料(AC-20C)组成设计

2．2．1 矿料级配组成设计

2．2．2 最佳油石比的确定

2．2．3 沥青混合料马歇尔指标分析

2．3 沥青混合料动态模量测定

2．3．1 动态模量试验方法

2．3．2 试验方案与步骤

2．3．3 试验结果分析

2．4 本章小结

3 掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料路用性能试验研究

3．1 高温稳定性试验研究

3．1．1 试验方法及评价指标

3．1．2 沥青混合料高温性能试验结果分析

3．1．3 高模量改性剂与玄武岩纤维改善混合料高温性能机理分析

3．2 低温抗裂性试验研究

3．2．1 低温抗裂性试验方法与评价指标

3．2．2 沥青混合料低温性能试验结果分析

3．2．3 玄武岩纤维增强高模量沥青混合料低温抗裂性能机理分析

3．3 水稳定性试验研究

3．3．1 沥青混合料水稳定性试验方法

3．3．2 沥青混合料水稳定性试验结果分析

3．4 抗疲劳性能试验研究

3．4．1 沥青混合料疲劳特性的研究方法

3．4．2 疲劳试验步骤

3．4．3 沥青混合料抗疲劳性能试验结果分析

3．4．4 玄武岩纤维增强高模量沥青混合料抗疲劳性能机理分析

3．5 本章小结

4 掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料路面结构优化研究

4．1 高模量沥青混合料中面层厚度优化

4．1．1 现行路面结构设计方法

4．1．2 典型路面结构

4．1．3 中面层厚度计算

4．2 路面结构静力学分析

4．2．1 结构参数的选取及模型建立

4．2．2 有限元计算结果与分析

4．3 综合效益分析

4．3．1 经济效益分析

4．3．2 社会与环境效益分析

4．4 本章小结

5 结论和展望

5．1 主要结论

5．2 研究展望

参考文献

致谢

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