竹纤维沥青混凝土的力学特性研究

李静

竹纤维沥青混凝土的力学特性研究

李静

河北旅游职业学院, 河北 承德 067000

竹纤维具有可再生、产量大、成本低、环境污染小、力学强度高、高温稳定性好等特点。因此，本文制备了竹纤维沥青混凝土试验样品，确定了竹纤维的最佳使用长度和掺量比例，测试了竹纤维沥青混凝土的高温稳定性和低温抗裂性能。研究结果表明：（1）竹纤维沥青混凝土的马歇尔稳定度整体上随着竹纤维掺量的增大而增大，但1 cm和3 cm竹纤维掺入后均有个别组样品不满足要求，因此建议选取直径2 cm、掺量2%为沥青混凝土中竹纤维的最佳配比；（2）随着竹纤维掺量的增大，不同竹纤维长度下的沥青混凝土的动稳定度均表现出先增大后减小的变化规律，但竹纤维长度越长，竹纤维沥青混凝土出现动稳定度最大的掺量值就越靠前；（3）为提高竹纤维沥青混凝土的低温抗裂性能，建议1 cm竹纤维的最佳掺量为2.5%，2 cm竹纤维的最佳掺量为2.0%，3 cm竹纤维的最佳掺量则为1.5%。

竹纤维沥青混凝土; 力学特性

传统路面已出现车辙[1]、开裂[2]、泛油[3]等病害，难以满足现在高质量沥青路面的要求。大量研究表明，纤维改性沥青可以有效减小车辙、开裂、泛油等病害的发生，提高沥青路面在夏季高温和冬季冻融循环作用下的耐久性[4-6]。然而，目前纤维材料多采用聚合物纤维，其生产过程需要消耗大量的石油等不可再生资源，易造成环境污染和能源大量消耗[7,8]。如何利用可再生纤维材料提高沥青混凝土的耐久性能已经热点研究问题。

学者们已经尝试利用棉秸秆纤维[9]、木质素纤维[10]和竹纤维[11]取代聚合物纤维，此类纤维具有可再生、产量大、成本低、环境污染小等诸多优点，其中竹纤维具有力学强度高、热稳定性好等特性。基于此，本文将竹纤维加入沥青混凝土中制备竹纤维沥青混凝土试样，利用马歇尔试验确定竹纤维最佳配比，进而测试竹纤维沥青混凝土的高温稳定性和低温抗弯拉强度。本文的研究成果可为竹纤维沥青混凝土的使用提供理论基础。

1 竹纤维最佳配比

1.1 试验材料

竹纤维沥青混凝土主要由竹纤维、沥青、玄武岩粗集料、石灰岩细集料和矿粉等组成，竹纤维的基本参数如表1所示，集料的级配曲线如图1所示。通常沥青混凝土的油石比处于4%~7%之间[12]，以往试验结果显示油石比为5%的竹纤维沥青混凝土的使用性能最佳[3]，因此本文的油石比为5%。

表 1 竹纤维的基本参数

图 1 集料的级配曲线

1.2 竹纤维最佳配比的马歇尔试验

为了取得沥青混凝土竹纤维的最佳用量，制备了不同竹纤维长度（1 cm、2 cm和3 cm）和掺量（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%）的沥青混凝土样品，依据（JTGE20-2011）《公路公路程沥青及沥青混合料试验规程》（以下简称规程）进行了马歇尔试验。其中马歇尔稳定度是指马歇尔试验得到的事件最大荷载值（kN），流值是指试件在最大荷载方向的最大变形量（mm）。竹纤维沥青混凝土的马歇尔试验结果如图2所示。由图2a可知，竹纤维沥青混凝土的马歇尔稳定度整体上随着竹纤维掺量的增大而增大，《规程》要求稳定度应大于8.00 kN，1 cm和3 cm竹纤维掺入后均有个别组样品不满足《规程》要求，仅2 cm竹纤维掺入后均满足马歇尔稳定性要求；由图2b可知，竹纤维沥青混凝土的流值随竹纤维掺量未表现出显著规律，2 cm竹纤维掺入后均满足《规程》中流值小于4 mm的要求，同时竹纤维掺量为1.0%、1.5%、2.5%和3.0%均有个别样品的试验结果不满足《规程》要求。因此，选取直径2 cm、掺量2%为沥青混凝土中竹纤维的最佳配比。

(a) 稳定度 Stability (b) 流值 Rhe

2 竹纤维沥青混凝土的高温稳定性分析

竹纤维沥青混凝土的高温稳定性主要依据下式中的动稳定度指标进行评价，由车辙试验方法得到：

其中，代表沥青混凝土的稳定度；1和2代表试验时间，分别为45 min和60 min；1和2代表1和2对应的变形量。

其中，代表试件的变形量；Δ代表总变形；代表试件厚度。

不同竹纤维长度以及掺量条件下沥青混凝土的高温稳定性测试结果如图3所示。当竹纤维掺量为0%时，沥青混凝土的动稳定度为718次/mm，最终车辙深度为9.29 mm。随着竹纤维掺量的增大，不同竹纤维长度下的沥青混凝土的动稳定度均表现出先增大后减小的变化规律；但竹纤维长度越长，竹纤维沥青混凝土出现动稳定度最大的掺量值就越靠前（1 cm、2 cm、3 cm竹纤维的最优掺量分别为2.5%、2.25%和2.0%），且在超过最优掺量后，竹纤维沥青混凝土动稳定度随掺量增加而衰减的幅度也越大。而对于最终车辙深度来说，竹纤维掺量越大，沥青混凝土的最终车辙深度就越小，但当达到一定掺量时，竹纤维沥青混凝土的最终车辙深度减小就不太明显；竹纤维长度越长，竹纤维混凝土车辙深度达到稳定的掺量值点也越小。这个测试结果说明，竹纤维的掺入能够有效提高高温条件下沥青混凝土抵抗车辆碾压的能力，但掺入量也不宜太多，否则会严重影响沥青混凝土的内部组成结构，起到适得其反的后果。

(a) 动稳定度 Dynamic stability (b) 最终车辙深度 Final rut depth

3 竹纤维沥青混凝土的低温抗裂性分析

竹纤维沥青混凝土的低温抗裂性采用低温弯曲试验中的抗弯拉强度指标来分析，测试方法为三点弯曲试验方法，试件尺寸100 mm×100 mm×400 mm，抗弯拉强度的表达式为：

式中：R为抗弯强度；max为最大荷载；为试件的截面高度；为试件的截面宽度。

图4给出了竹纤维沥青混凝土的低温抗裂性测试结果。由图可知，未掺加竹纤维时，沥青混凝土的抗弯拉强度值为10.89 MPa；掺加1 cm竹纤维时，1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%掺量的沥青混凝土抗弯拉强度值分别为11.11 MPa、11.32 MPa、11.45 MPa、11.58 MPa、11.54 MPa和11.43 MPa；掺加2 cm竹纤维时，1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%掺量的沥青混凝土抗弯拉强度值分别为11.25 MPa、11.48 MPa、11.63 MPa、11.62 MPa、11.53 MPa和11.04 MPa；掺加3 cm竹纤维时，1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%掺量的沥青混凝土抗弯拉强度值分别为11.32 MPa、11.55 MPa、11.48 MPa、11.31 MPa、10.88 MPa和10.42 MPa。这说明，掺入一定量的竹纤维能够显著改善沥青混凝土的低温抗裂特性，原因在于，少量的竹纤维会在沥青混凝土弯拉破裂处起到“桥接”沥青混凝土机质的作用，阻止沥青混凝土裂缝的进一步扩展，进而提高沥青混凝土的抗弯拉能力。但另一方面需要注意的是，竹纤维掺量也不能太大，否则过量的竹纤维不仅会消耗大量的沥青体介质，造成沥青混凝土内部均匀性变差，同时还会导致竹纤维聚团成束，形成薄弱点，严重影响沥青混凝土的各项性能。由本次竹纤维沥青混凝土的弯曲试验结果上看，1 cm竹纤维的最佳掺量为2.5%，2 cm竹纤维的最佳掺量为2.0%，3 cm竹纤维的最佳掺量则为1.5%。

图 4 竹纤维沥青混凝土的低温抗裂性测试结果

4 结 论

（1）竹纤维沥青混凝土的马歇尔稳定度整体上随着竹纤维掺量的增大而增大，但1 cm和3 cm竹纤维掺入后均有个别组样品不满足要求，因此，建议选取直径2 cm、掺量2%为沥青混凝土中竹纤维的最佳配比；

（2）随着竹纤维掺量的增大，不同竹纤维长度下的沥青混凝土的动稳定度均表现出先增大后减小的变化规律；但竹纤维长度越长，竹纤维沥青混凝土出现动稳定度最大的掺量值就越靠前，且在超过最优掺量后，竹纤维沥青混凝土动稳定度随掺量增加而衰减的幅度也越大；

（3）为提高竹纤维沥青混凝土的低温抗裂性能，建议1 cm竹纤维的最佳掺量为2.5%，2 cm竹纤维的最佳掺量为2.0%，3 cm竹纤维的最佳掺量则为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

全国教育科学“十三五”规划重点课题:绿色设计理念在设计中的应用研究(EDUZH130003)

李静(1981-),女,本科,讲师,主要研究方向为建筑设计、室内外设计.E-mail:xiayepiaoxue@Sohu.com