玄武岩纤维复合材料

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扬州大学对高性能玄武岩纤维沥青混料的研究

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扬州大学对高性能玄武岩纤维沥青混料的研究

发布日期:2018-03-09 作者: 点击:

 12 高性能玄武岩纤维沥青混合料

        一、技术名称:高性能玄武岩纤维沥青混合料
        二、技术来源:江苏省交通运输科技项目“玄武岩纤维增强沥青混合料性能应用研究”(合同编号:2012Y07-1)、江苏省产学研联合创新资金前瞻性研究项目“TLB高强纤维复合沥青混合料应用技术研究”(合同编号:BY2014117-02)、江苏省交通运输科技与成果转化项目“TLB高强纤维沥青混合料处治高速公路沥青路面典型病害技术应用”(合同编号:2016T17)
        三、适用范围:新建道路中对抗车辙、抗开裂、抗疲劳性能有较高要求的路段;老旧道路养护中的加铺罩面;水泥道路加铺沥青面层中“白改黑”路段。
        四、国内外相关技术现状:
        二十世纪六十年代,澳大利亚、加拿大等国家首先在沥青混合料中添加纤维材料来对混合料进行改进;在美国、加拿大、澳大利亚、德国、比利时、奥地利、日本等国,许多工程中都采用纤维做外掺剂铺筑沥青路面。经过近40年的发展,纤维外掺剂也已从最初的石棉纤维发展为今天各种不同材质的纤维类型。
        目前在沥青混合料中常用的纤维可以分为三种:植物纤维(木质素纤维),聚合物纤维(聚乙烯纤维和聚丙烯纤维)、矿物纤维(石棉纤维)。经过多年的工程应用,由于木质素纤维易发生热分解和氧化退化反应,再生时沥青的性能大为降低;而聚合物纤维最大的缺点就是其熔点低,导致纤维与沥青的相容性差,在与混合料进行高温拌合时,聚合物纤维容易发生融化卷曲,影响混合料的路用性能;矿物纤维是一种无机材料,不会发生类似植物纤维和聚合物纤维的问题,在工程上,使用最多的矿物纤维是石棉纤维,然而石棉纤维粉尘是一种有毒物质,长期接触石棉纤维粉尘容易诱发石棉肺甚至致癌,对人体有害,并且污染环境。一些发达国家已经禁止石棉纤维的使用,我国早期也大量使用石棉纤维,但随着经济和社会的发展,现在使用量也越来越少。而玄武岩纤维作为一种新型纤维添加剂,既能克服传统纤维的不足,又能保持甚至提高传统纤维的性能。
       五、技术内容
        1.技术原理
        玄武岩纤维均匀分散于沥青混合料中,呈三维随机分布且相互搭接形成空间网络。通过复合材料界面理论分析,玄武岩纤维与沥青之间有较大的接触面,说明沥青相对纤维相有很好的浸润性,使界面的粘结力大于沥青相本身的粘结力。当沥青混合料在外力作用下产生裂缝或空隙时,玄武岩纤维空间网络结构尤如沥青混合料“微加筋”,将沥青混合料受损部位连成一体,使得裂纹扩展时的能量释放率减少从而延缓裂缝的扩展。
        2.  关键技术或工艺流程
        (1)确定玄武岩纤维沥青混合料的目标配合比设计,通过室内试验得到玄武岩纤维的不同掺量和沥青混合料路用性能的关系,以及玄武岩纤维沥青混合料的施工工艺。
        (2)采用DEM等微观实验分析方法,得到玄武岩纤维增强沥青混合料性能的作用机理;
        (3)采用全寿命经济效益分析方法,解决玄武岩纤维复合沥青混合料的综合性能评价问题。
        3.  主要技术指标
        玄武岩纤维:采用6mm的短切玄武岩纤维,主要技术指标应满足下表要求。
                                                      表1 玄武岩纤维技术指标
项目技术要求
密度/g·cm-32.60~2.80
断裂强度/MPa≥1200
断裂伸长率/%≤3.1
吸油率/%≥50
可燃物含/%0.1~1.0
含水率/%≤0.2
耐热性,断裂强度保留率/%≥85
耐碱性,断裂强度保留率/%≥75
可燃性明火点不燃
        玄武岩纤维沥青混合料路用性能:玄武岩纤维可以减小沥青混合料高温时的流动变形,增强抗车辙能力;提高低温时的流变变形,增强低温抗裂性能;有效改善沥青混合料抗永久变形能力;沥青混合料抗疲劳性改善明显,在AC级配中,掺加纤维后的沥青混合料疲劳次数提高2倍以上,在SMA级配中,疲劳次数提高4倍左右。玄武岩纤维沥青混合料力学性能:玄武岩纤维的加入能减小混合料损伤所消耗的能量,延长混合料的疲劳寿命,混合料韧性得到明显的改善,材料的阻裂性能得到增强。
        4.  技术应用情况
        2014年3月,在扬州仪征市闽泰大道建设过程中,铺筑玄武岩纤维沥青混合料3912.126m。
        2014年6月,在江苏省S333省道仪征段,铺筑玄武岩纤维沥青路面2000m,路宽48m,共9.6万平方米。
        2015年8月,在江苏省S237省道江都段路面养护大中修工程中应用玄武岩纤维沥青混合料进行了4100m的上面层铺筑。
        2013年~2016年,玄武岩纤维改性沥青混合料材料在江苏京沪高速路面专项治理工程得到应用。其中 2013年合计使用单车道1.563km;2014年合计使用单车道11.342km;2015年度合计使用单车道45.28km;2016年度,截止到6月份,合计使用单车道17.34km。
        5.  推广前景
        玄武岩纤维作为一种新型的矿物纤维,其自身有以下有点:①具有相对高的抗拉比强度,玄武岩纤维的抗拉比强度是金属的2~2.5倍,是E型玻璃纤维的1.4~1.5倍;②具有高热稳定性,玄武岩纤维可以工作到600℃,而玻璃纤维在相同条件下的使用温度不超过400℃。由玻璃纤维和无机粘接剂制造的绝热制品可以工作到700℃,此外玄武岩矿石还可以和许多配料组合形成可在800℃下工作的耐高温材料;③具有在交变载荷作用下的高稳定性和耐久性,由连续纤维制成的细棒在长时间(超过9年)经受交变载荷作用后几乎没有疲劳破坏的痕迹,即未出现裂纹或其它破坏症状;④具有高的声热绝缘特性,玄武岩纤维可在低温技术中用作高效绝热材料。直径1~3μm、密度140kg/m3的玄武岩超细纤维绝热材料在-196℃下的导热系数约为0.026千卡/(米•小时•度),而且在长期处于低温(-196℃)液氮介质作用之后,玄武岩纤维绝热材料的强度不会降低;⑤原料开采方便、储量丰富(玄武岩矿石约占地球表壳的1/3)。与金属、玻璃及其它碳化物原料不同,大自然提供的玄武岩是已经过火山岩浆精选、重熔冶炼过的组份单一稳定的矿石原料。
        玄武岩纤维在道路工程中应用优势与前景:①与沥青和集料有较好的亲和力等诸多优良的力学和物理化学性能,比如掺加玄武岩纤维显著提高了沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性能、断裂能和疲劳性能;②在沥青路面使用过程中玄武岩纤维对环境无污染,不影响沥青材料的再生利用;③与其他的沥青混合料施工工艺相似,不需要添加其他新的设备,施工简单方便。
        玄武岩纤维采用天然的玄武岩生产,在生产过程中无污染。
        综上所述,玄武岩纤维沥青混合料是一种具有一定推广应用前景的绿色、环保、新型生态材料。
        六、技术持有单位
        技术持有单位:扬州大学
        单位地址:江苏省扬州市大学南路88号       


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