用丝绒纤维评估热混合沥青的机械性能

摘要

本文研究了丝绒在热沥青混合物（HMA）改性中的潜在应用。电线羊毛材料广泛可在当地市场提供普瑞斯羊毛工业的副产品，以及来自家庭的废物。出于本研究的目的，将羊毛切成小块，使其置于沥青混合物中。用沥青粘合剂总重量的热沥青混合物（0.0％，0.25％和0.5％）掺入不同百分比的电线羊毛（0.0％，0.25％和0.5％）。各种实验试验用于评估用热沥青混合物组合丝绒的改性效果，即马歇尔稳定性，间接拉伸强度（其），动态蠕变，疲劳和车辙试验。试验结果证明，加入丝羊毛增加了沥青混凝土混合物的拉伸强度。然而，由于线羊毛百分比增加，车辙增加。因此，含有线羊毛的混合物可用于车辙不是预期的主要遇险类型的区域。

1.介绍

由于交通量、交通负荷和轮胎压力的增长，以及恶劣的环境，最终增加了沥青路面上的应力，沥青混凝土混合料吸引了许多研究人员和工程师，试图改善其动态特性[1- - - - - -4］．

巨大的交通负荷和恶劣的环境是影响HMA路面力学和动力性能的两个关键参数。这些参数的主要后果是路面出现裂缝和恶化的早期迹象。一般情况下，当地路面温度在冬季的−7°C之间，夏季的最高温度为48°C。此外，时间上的温度波动(每天和季节性的)以及交通量和荷载的快速增长也给HMA路面带来了更大的压力。因此，有必要对HMA混合料进行改性和改进，以分别减少在低温和高温范围内发生的应力开裂和永久变形。

沥青混合料的改性是提高沥青路面性能的主要途径。许多研究人员已经进行了研究，以改善和升级HMA混合物的性能[5］．相反，其他研究人员通过利用纤维和聚合物等再循环添加剂研究了改善HMA混合物的性能。一个严谨的文献综述表明，HMA混合领域的研究人员利益的增加是由于许多原因，例如（a）路面苦恼和早期裂缝，由不断增长的交通量，负荷和轮胎压力，（b) economic aspects associated with rehabilitation and replacement of deteriorated pavement specially oil refineries’ policy in favor of producing light fuels instead of asphalt, (c) new trend towards constructing roads with thin pavement thickness and differed maintenance procedures, (d) availability of by-product waste materials which encourages researchers and environmentalists to utilize them in various environmental friendly ways to reduce their hazards, and (e) persistent temperature fluctuations which lead to distressing pavement and produce permanent deformations [3.］．

研究人员的突出之处是通过将副产品作为HMA添加剂来改善动态和机械路面或粘合剂的性能，从而安全地忽视它们[6］．文献中有很好的说明，在HMA粘结剂中使用这类废物的添加剂改善了许多性能，如对由结构或表面缺陷和热疲劳开裂造成的损伤进行修复和补救。

许多研究人员(2，6- - - - - -9建议改性HMA粘结剂应满足以下标准:(a)在高温下改善动态性能，以更好地抵抗车辙和推挤等结构缺陷;(b)在低温下，粘结剂应达到较低的刚度值，以抵抗热疲劳和开裂;(c)高温下刚度值较低的粘结剂有利于HMA混合料的可加工性(泵送、混合和压实);(d)通过改善HMA混合物组分(骨料和粘合剂)之间的粘附性能来提高抗剥离性。

以前关于添加剂对HMA行为的影响[2，10.- - - - - -12.，表明纤维废料的使用积极地提高了沥青路面性能，如马歇尔稳定性、抗裂性、抗拉强度和抗永久变形性。此外，它增加了路面的使用寿命，降低了维护成本，并最终有助于创建一个新的有价值的市场来管理废弃纤维。

本研究介绍了一种新的纤维废料，从未与沥青混合结合。电线羊毛是给予精细金属线的名称，它们一起捆绑在一起以形成磨料，锋利的金属条簇。金属条在片材中块，折叠在一起，并变成容易握在手中的垫。这些线羊毛垫用于各种目的，但主要用于它们清洁和切割润滑脂和污垢的能力。进行了这种调查，以评估HMA粘合剂的机械和动态性能与丝绒。通过改善制备的沥青热混合物的性能的改善来评估改性效率。进行该研究以评估通过标准实验室程序的丝羊毛改性HMA混合物的性能，并确定应添加的线羊毛和沥青含量的最佳百分比。

众所周知，作为钢制制造的副产物的钢丝羊毛具有一些加强特性。本研究表明，由于丝棉由于表面积增加而增加所需的最佳沥青含量，因此通过增加HMA的拉伸强度来降低裂缝来降低裂缝。

2.实验计划

本研究进行的实验方案示意图如图所示1．实验分为四个阶段。I阶段涉及骨料和沥青的收集和表征，并使用所需尺寸的丝羊毛制备。从局部沥青水泥炼油厂收集沥青样品。

桌子1显示了用过的沥青水泥混合料的物理性能。根据AASHTO规范对60/70渗透沥青的性能进行评估。本研究使用的骨料为碎石灰岩，其级配符合当地负责道路建设和养护的权威标准(图)2）.公共当局建议使用分级设计，以适应严重的交通磨损过程。这里使用的金属丝可以承受高达170°C的温度。它被切成长度与骨料的最大尺寸(3/4英寸)相等的小块，这样就可以放在沥青混合料中。本实验中使用的钢丝羊毛分析见表2．

第二阶段涉及采用由公共权威机构设定的混合料设计程序(ASTM D1559)。采用4-in样品对最佳沥青含量(OAC)进行评价。混合样品中加入三种钢丝羊毛百分比(0%、0.25%和0.5%)，空气空隙率设置为4%。结果表明，相应的OAC值分别为5.13%、5.41%和5.69%(权重基础)。随着丝壁含量的增加，OAC的增加是由于骨料和添加剂表面积的增加。

对于每个计算出的最佳沥青含量，检查诸如马歇尔稳定性，空中空隙，聚集体中空隙率，空隙率的空隙混合物的性能，以及填充有粘合剂的空隙，以验证它们的范围在当地政府权力佩戴的地方政府权力设定的规范内课程。为此目的，制备36个HMA样品，制备各种丝绒混合物百分比。

III期涉及通过观察制备样品的间接拉伸强度（其），间接拉伸强度（其），车辙，疲劳和蠕变来评估添加剂的有效性。

第四阶段的重点是选择线羊毛含量的最佳百分比。

3。结果与讨论

根据AASHTO M 20规格的分类实验在二手沥青水泥上进行。桌子1给出了实验结果。结果表明，使用的沥青可分为60/70级渗透沥青。对几种类型的钢丝棉进行了评估，以选择能够承受高温并能够适当混合的类型，以最大限度地减少沥青混合料中结块的形成。所选钢丝棉的性能如表所示2．

３.１.马歇尔稳定性试验结果(ASTM D1559)

在这个测试中，实验程序按照ASTM D1559执行。对于每个丝棉混合比例，制备6个HMA混合样品，并在60°C的水浴中浸泡。然后3个样品在浸泡30分钟后测试马歇尔稳定性，其余3个样品在浸泡24小时后测试马歇尔稳定性。结果如表所示3.．

马歇尔稳定性试验结果表明，掺丝率为0%、浸泡时间为30 min的试样马歇尔稳定性值最高，其次是0.25%和0.5%的丝羊毛。但从所得结果中可以看出，所得值之间的差异并不显著。因此，可以得出这样的结论:稳定性不可能被认为是一个现实的选择，作为一个判别测试。

桌子3.随着钢丝绒含量的增加，马氏稳定性的平均损失减小。添加0.5%丝羊毛时，马歇尔稳定性的平均损失值比对照混合物降低了16.65%，添加0.25%丝羊毛时，马歇尔稳定性的平均损失值比对照混合物降低了7.72%。这可能是由于加入了钢丝棉而增加了沥青水泥的额外添加量。

３．２．水敏感性试验(ASTM D 4867-09)

实验程序按照ASTM D 4867-09测试程序进行。采用水敏试验，通过测量HMA混合料在60℃水浴中浸泡24小时后的间接抗拉强度(ITS)损失，研究钢丝棉添加对HMA混合料抗剥离(水敏性)的影响。所得结果如表所示4，表明增加丝棉掺量可以减少水损伤导致的拉伸强度值的平均损失。钢丝棉添加量为0.5%时，其ITS损失值提高幅度最大，为15.9%。因此，钢丝棉的加入降低了间接抗拉强度(ITS)的损失，这主要是由于沥青含量的增加和钢丝棉钢丝的存在。

３．3.动态蠕变试验

该试验是通过对HMA试样施加重复脉冲单轴应力进行的。安装线性可变差动传感器(LVDTs)，沿相同加载方向测量产生的变形[13.- - - - - -15.］．施加的脉冲单轴应力是反馈黑脉脉冲类型。使用的脉冲应力为207kPa，接触应力为9kPa。选择这些值不允许垂直装载轴在休息期间剥离试样。脉冲宽度的持续时间为100ms，900毫秒是应用前脉冲之前的时间间隙。测试在25℃下进行。使用两个热电偶测量试验期间的样本的皮肤和核心温度。这些热电偶位于虚拟标本内部和在测试期间附近试样。

继续实验程序，直到最大轴向应变极限的值达到10,000微长的微拖道，或者首先发生这种情况。为了测量动态性质，测试了三个100×70mm的三个样品，具有4％空气空隙率（来自每个线羊毛百分比），并且所有动态性质，例如弹性模量，蠕变刚度，累积的永久性和弹性菌株在发生故障时和永久性和弹性变形，并在表中报告5．

轴向累积永久变形与循环次数的相关性结果如图所示3.对于不同的测试组(即0.0%，0.25%，和0.5%丝羊毛)。与其他HMA混合比相比，0.5%丝羊毛的混合效果最好，其次为0.0%和0.25%丝羊毛。这可以根据钢丝羊毛粘结的性质和纤维性能来解释，这最终提高了HMA混合料的抗蠕变性。相反,样品线0.25%羊毛混合比减少的数量提高蠕变阻力控制相比,因为,在测试过程中,发现肿块的钢丝绒是形成的由于不适当的混合样品,所以钢丝绒不是均匀分布的样本。

3.4。疲劳性能

采用重复脉冲单轴加载的方法，对不同丝棉混合比例的HMA试样进行了直径测试，以测量破坏时所需的加载周期数。在实验过程中，制作了9个试样，设置了不同的初始拉伸应变水平(至少3个水平)，以获得更大范围的破坏循环。数字4用回归线表示试样在每个应变水平上的平均值。在对数尺度上，ITS与载荷重复次数(疲劳寿命周期)呈正态线性关系。

疲劳试验结果表明，含0.5%丝羊毛的HMA试样显著提高了疲劳寿命水平，其次是0.25%和0%丝羊毛。因此，钢丝羊毛纤维由于其粘接性能大大提高了HMA混合物的疲劳寿命。

3．5．永久变形

使用两个垂直LVDT进行该测试。同时记录垂直永久变形，而疲劳实验运行。永久变形实验的测试结果显示在图中5．分析证明，HMA样本通过三个杰出阶段，即致密化，稳态和故障。

数字5对比了不同混合试样在永久变形试验中的性能。对照组掺量为0%的丝棉，其性能最佳，其次为0.25%和0.5%丝棉。这可以解释的事实，增加电线羊毛增加所需沥青的含量，减少了空气空隙导致车辙电位的增加。

4。结论

本研究介绍了目前使用的热沥青混合物之间的比较研究，并在不同百分比下添加了丝绒的混合物。进行了马歇尔稳定性，水敏感性，动态蠕变，辙和疲劳试验的测量，并进行了分析和分析。根据执行的测试，可以绘制以下结论：（1）与对照混合料相比，钢丝羊毛混合料的马歇尔稳定性损失和间接抗拉强度(ITS)损失减少较少。这种改善与添加钢丝毛的百分率成正比。（2)研究表明，含有钢丝棉的混合物可能比对照混合物有更长的疲劳寿命。（3）由于羊毛百分比增加，车辙增加。因此，含有线羊毛的混合物可用于车辙不是预期的主要遇险类型的区域。目前的研究表明，钢丝毛作为HMA的添加剂具有一定的优势。同时，钢丝棉也有一些需要记住的缺点。缺点之一是，当与HMA一起加热时，钢丝线容易解体。另一个缺点是金属丝羊毛，作为金属性质，暴露在潮湿时很容易生锈。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

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