短切瀝青碳纖維混凝土馬歇爾試驗研究

張明德

(山東交通職業學院，山東濰坊 261206)

1 馬歇爾試驗方法

本文采用了山東華瑞道路材料公司提供的重交AH-50號瀝青，未改性短切瀝青碳纖維及EVA乳液改性瀝青碳纖維。粗集料采用山東昌樂石灰巖，細集料采用大汶河河砂，礦粉采用石灰巖礦粉，其中粗細集料和礦粉的技術指標如表1，表2所示。礦料級配采用了AC-16Ⅰ標準，如表3所示，經室內篩分后逐級回配得到。

根據纖維種類及其用量，礦料類型和規范推薦的瀝青用量范圍采用馬歇爾試驗的方法確定最佳瀝青用量，其中瀝青碳纖維類型選用未改性瀝青碳纖維和EVA乳液改性瀝青碳纖維，其中瀝青碳纖維摻量按混凝土的質量比進行添加，分別選用瀝青用量的0%，0.2%，0.5%，0.8%，長度選用2 cm，3 cm和5 cm。

表1 粗細集料技術指標

表2 礦粉技術指標

表3 礦料級配表

2 短切瀝青碳纖維混凝土馬歇爾試驗結果

短切瀝青碳纖維增強瀝青混凝土的馬歇爾試驗研究中主要進行了以下試驗:

1)碳纖維的摻入量試驗;

2)碳纖維的摻入長度試驗;

3)碳纖維的改性種類試驗;

4)短切碳纖維瀝青混凝土馬歇爾試驗。

2.1 碳纖維的摻入量試驗

瀝青混凝土中碳纖維的摻入量不同，則碳纖維在混凝土中的分散程度、有效比表面積以及對整個混凝土的加強作用等方面均不相同。

本文采用了長度為2 cm的未改性瀝青碳纖維來進行試驗，碳纖維的摻入量分別為0，0.2%，0.5%，0.8%(摻入量是指所摻入的碳纖維占整個碳纖維瀝青混凝土的質量百分比)。按照馬歇爾試驗的方法首先應確定出不同碳纖維摻入量下的最佳瀝青用量，在此最佳瀝青用量下再測試各個馬歇爾試驗的技術指標，如表4所示。

表4 碳纖維摻入量對馬歇爾試驗技術指標的影響

從表4，圖1可以看出，瀝青混凝土中的最佳瀝青用量隨著碳纖維摻入量的增加而增大，但隨著碳纖維摻入量的繼續增加，最佳瀝青用量的增大速率逐漸減緩，達到一定摻入量時(如表中纖維摻入量為0.5%)，最佳瀝青用量將不會增加反而會減少。隨著碳纖維的摻入，瀝青混凝土的密度值會下降，但是變化的幅度不大。穩定度隨著摻入量的增加有不同程度的增減變化，當摻入量高于0.5%時開始下降，而流值則隨著摻入量的增大呈現持續遞增的趨勢。同時礦料間隙率也隨著摻入量的增加而遞增。

圖1 碳纖維摻量對瀝青混凝土試樣性能的影響

2.2 碳纖維的摻入長度試驗

本試驗中原料配比與碳纖維摻量影響試驗相一致，采用未改性瀝青碳纖維，纖維摻入量均為0.5%，根據不同纖維長度做對比試驗，其試驗結果如表5所示。

由表5可以看出，最佳瀝青用量隨著摻入碳纖維長度的增大而減小，但越長的碳纖維越容易相互纏繞而產生空隙，致使混凝土的密度減小并且降低幅度較大，較長的瀝青碳纖維混凝土的馬歇爾穩定度和流值均有小幅度的增加，但瀝青碳纖維的摻入長度對礦料間隙率(VMA)和瀝青飽和度(VFA)影響不明顯。總之要綜合考慮瀝青碳纖維的摻入長度對馬歇爾穩定度的貢獻以及相互纏繞的平衡點，選擇合適的瀝青碳纖維長度。

2.3 碳纖維的改性種類試驗

目前用于瀝青混凝土中的纖維有石棉纖維、聚酯纖維等。本文采用了石棉纖維，未改性短切瀝青碳纖維和EVA改性短切瀝青碳纖維三種纖維對瀝青混凝土進行馬歇爾試驗。

試驗原料及配比與確定碳纖維摻量的試驗相同，各種纖維長度選擇2 cm，摻入量選擇0.5%，分別得出不同纖維增強瀝青混凝土馬歇爾指標的結果，如表6所示。

表6 碳纖維種類對馬歇爾試驗技術指標的影響

由表2，圖2可以看出，各纖維瀝青混凝土的最佳瀝青用量均有所增大，而混凝土的密度值下降，各纖維瀝青混凝土的馬歇爾穩定度均有所提高，尤其是EVA改性后的瀝青碳纖維增加幅度最大，通過高分子EVA乳液改性后的瀝青碳纖維增強的瀝青混凝土的穩定度要比未加碳纖維的瀝青混凝土的穩定度高106.43%，比加入未改性瀝青碳纖維瀝青混凝土的穩定度高18.91%。

圖2 碳纖維種類對瀝青混凝土試樣性能的影響

2.4 短切碳纖維瀝青混凝土馬歇爾試驗

本試驗選用未改性和EVA乳液改性的兩種瀝青碳纖維，試驗結果如表7所示。

表7 最佳配合比瀝青混凝土馬歇爾試驗技術指標

由表7可以看出瀝青碳纖維增強的瀝青混凝土的馬歇爾穩定度完全滿足JTG F40-2004公路工程技術標準所規定的馬歇爾穩定度不小于8 kN的標準。本試驗最佳配比條件下的瀝青混凝土穩定度達到了23.45 kN，足足高出了標準要求的193.13%。

本試驗樣品流值宜控制在3 mm～4 mm范圍內，空隙率控制在4%左右，VFA控制在70%左右，各項指標均很好的滿足標準要求。

3 結語

通過馬歇爾試驗可以看出，摻入瀝青混凝土中的碳纖維的長度、摻入量的大小、不同的碳纖維改性種類均會對瀝青混凝土的各項技術指標產生影響。

結合馬歇爾配比試驗可以得出短切瀝青碳纖維摻加瀝青混凝土的最佳配比為碳纖維長度選擇2 cm，碳纖維摻入量選擇0.5%。同時根據配比試驗結果可以看出，加入EVA改性瀝青碳纖維的瀝青混凝土各項性能指標明顯要優于未摻加碳纖維和摻加了未改性瀝青碳纖維的瀝青混凝土，從而進一步證明了通過瀝青碳纖維的表面改性，可以更好的發揮瀝青碳纖維的自身優勢以增強瀝青混凝土的力學性能。

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