纖維加強(qiáng)瀝青混凝土低溫抗裂性能試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬

張英富， 廖碧海， 楊 濤

(1.湖北富昊工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司， 湖北 武漢 430000；2.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；3.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院廈門分院， 福建 廈門 361006)

瀝青混凝土的抗裂性是影響瀝青路面路用性能和使用壽命的關(guān)鍵影響因素之一。國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了廣泛的研究，提出了各種提高瀝青混凝土抗裂性的方法。主要有加鋪應(yīng)力-應(yīng)變吸收膜、土工格柵、土工織物；改進(jìn)瀝青混合料設(shè)計(jì)，采用“合金化”方法；在面層與基層之間增加級配碎石層；基于柔性基層的設(shè)計(jì)；基層預(yù)切縫以及在瀝青混合料中添加纖維材料。其中，在瀝青混合料中摻加纖維材料目前被認(rèn)為是改進(jìn)瀝青路面抗裂性比較經(jīng)濟(jì)有效的方法。Lee[1]，黃彭[2]，F(xiàn)reeman[3]，Moussa[4]，陳華鑫[5]等陸續(xù)對尼綸纖維，木質(zhì)素纖維，聚酯纖維，聚乙烯纖維，聚酰胺纖維瀝青混凝土路面和各種纖維的微觀性質(zhì)做了深入的研究，發(fā)現(xiàn)聚酯纖維具有最佳的效果。

本文針對實(shí)際工程項(xiàng)目的氣候環(huán)境條件，對不同纖維摻和量的瀝青混凝土試件進(jìn)行低溫抗裂性能試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)所得材料屬性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了一些有益于工程實(shí)踐的建議和結(jié)論。

1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)的目的在于模擬冬季低溫條件下，進(jìn)行熱拌瀝青混凝土在規(guī)定溫度下的標(biāo)準(zhǔn)小梁彎曲試驗(yàn)。通過各項(xiàng)指標(biāo)，評價(jià)纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性能，從而確定合適的提高低溫抗裂的措施?；诋?dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)，試驗(yàn)溫度選擇-10℃，在試驗(yàn)操作過程中制作了低溫箱，并通過干冰降溫實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)加載

為了對比影響低溫抗裂性的各種因素，得到最佳提高低溫抗裂性的措施，本試驗(yàn)采用同一種瀝青(道路石油瀝青90#)，設(shè)置以下對比組：

第一組：面層結(jié)構(gòu)50 mm+25 mm，添加0.26%木質(zhì)素纖維；

第二組：面層結(jié)構(gòu)50 mm+25 mm，不摻加任何纖維；

第三組：只減薄面層厚度，即面層結(jié)構(gòu)50 mm+20 mm，添加0.26%木質(zhì)素纖維；

第四組：面層結(jié)構(gòu)50 mm+25 mm，但只在下面層添加0.3%木質(zhì)素纖維；

第五組：面層結(jié)構(gòu)50 mm+25 mm，但改為添加0.3%聚丙烯纖維。

用低溫彎曲試驗(yàn)來評價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性，評價(jià)指標(biāo)為破壞應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度和勁度模量，試驗(yàn)步驟見《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[6]。

由最大破壞荷載PB和最大破壞荷載對應(yīng)的撓度d(mm)可得到抗彎拉強(qiáng)度RB(MPa)，破壞時(shí)梁底最大彎拉應(yīng)變εB和破壞時(shí)彎曲勁度模量SB(MPa)：

式中，RB、SB分別為試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度、彎曲勁度模量，MPa；εB為試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變；b、h、L分別為試件的寬度、高度、跨徑，mm；PB為試件破壞時(shí)的最大荷載，N；d為試件破壞時(shí)的跨中撓度，mm。

瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)，采用輪碾法成型的板切割而成的小梁試件，在-10℃試驗(yàn)溫度下進(jìn)行單點(diǎn)加載直至破壞，加載速率50 mm/min。試驗(yàn)儀器采用材料測試系統(tǒng)MTS-80，整個(gè)試驗(yàn)過程可通過程序進(jìn)行控制并由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2為試件破壞后的裂縫形態(tài)，裂紋的起始端點(diǎn)基本上在跨中底部，當(dāng)載荷加載到超過極限載荷時(shí)，裂紋向上擴(kuò)展，有平直的，也有不規(guī)則的。

圖2 試件破壞后的裂紋形態(tài)

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

通過試驗(yàn)可得各組試件的荷載-撓度曲線，如圖3所示。

(a) 第一組

(b) 第二組

(c) 第三組

(d) 第四組

(e) 第五組圖3 各組試件的荷載-撓度曲線

彎拉強(qiáng)度越高，材料在低溫下抵抗破壞的能力越強(qiáng)，瀝青混合料的低溫抗裂性能就越好。由圖4可以看出，添加木質(zhì)素纖維能顯著提高其彎拉強(qiáng)度，即使僅在下面層摻加木質(zhì)素纖維，效果也很明顯，而將面層的厚度減薄嚴(yán)重降低了其彎拉強(qiáng)度。說明在瀝青混合料中添加木質(zhì)素纖維是一種很好的提高低溫抗裂性能的措施，而減薄面層厚度會產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，所以實(shí)際施工時(shí)不宜隨意減薄面層厚度。

圖4 各組試件的彎拉強(qiáng)度

綜合考慮上面的利用各種不同的指標(biāo)分析評價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能的結(jié)果，可以看出瀝青面層的厚度對其低溫抗裂性能有顯著的影響，而在瀝青面層中摻加木質(zhì)素纖維能明顯改善其低溫抗裂性能。

3 數(shù)值模擬

利用試驗(yàn)得出的載荷-位移曲線，換算為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，利用多線擬合應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將瀝青材料的本構(gòu)關(guān)系導(dǎo)入ANSYS中，分析各種情況的動(dòng)力響應(yīng)特性。

圖5 網(wǎng)格劃分示意

圖6 裂紋尖端網(wǎng)格劃分

為了兼顧計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間因素，采用1/2對稱模型進(jìn)行計(jì)算，只在裂紋附近采取網(wǎng)格細(xì)化，土層采取級差網(wǎng)格劃分，以獲得較好的計(jì)算精度，又節(jié)省了計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間。道路體系總體網(wǎng)格劃分見圖5，裂紋尖端附近網(wǎng)格劃分見圖6，裂紋尖端采用奇異單元。

圖7中顯示了采用試驗(yàn)得出的本構(gòu)關(guān)系，通過數(shù)值模擬得出的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)間歷程曲線，可以看出，在不添加任何纖維情況下所對應(yīng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子(DSIF)峰值最大，而添加了纖維后，DSIF峰值會有明顯的降低。

圖7 動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)間歷程曲線

圖8 摻加不同纖維時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)間歷程曲線

圖8對比了添加木質(zhì)素纖維和聚丙烯纖維后的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子變化情況。從圖中可以看出，無論添加了哪種纖維，DSIF峰值都有明顯的降低，而添加聚丙烯纖維所對應(yīng)的DSIF峰值比添加木質(zhì)素纖維所對應(yīng)的DSIF峰值還要低；從數(shù)據(jù)上看，添加聚丙烯纖維后，DSIF峰值從0.43 MPa·m1/2降到0.099 MPa·m1/2，降低了333.2%，添加木質(zhì)素纖維后，DSIF峰值從0.43 MPa·m1/2降到0.19 MPa·m1/2，降低了128.6%，換言之，添加聚丙烯纖維具有更好的阻裂效果。

4 結(jié) 論

(1) 在瀝青混凝土中摻加纖維將大大提高其低溫彎拉強(qiáng)度，即使是僅在下面層摻加纖維，效果也很明顯；

(2) 減薄瀝青混凝土的面層厚度將嚴(yán)重降低其彎拉強(qiáng)度，也就是說瀝青混合料面層的厚度對其低溫抗裂性能是一個(gè)非常重要的影響因素。

(3) 在瀝青混凝土中摻加纖維后，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子 (DSIF) 峰值會有明顯的降低。說明纖維材料能夠顯著的提高瀝青路面的低溫抗裂性；

(4)聚丙烯纖維的阻裂效果要好于木質(zhì)素纖維，但是從經(jīng)濟(jì)角度考慮，對于大面積使用聚酯纖維瀝青混凝土路面應(yīng)考慮其經(jīng)濟(jì)性。

[1] Lee S J, Rust J P, Hamouda H, et al. Fatigue cracking resistance of fiber-reinforced asphalt concrete[J]. Texile Research Journal, 2005, 75(2): 123-128.

[2] 黃 彭. 木質(zhì)素纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用研究[J]. 石油瀝青, 1998, 12(4): 9-15.

[3] Freeman R B, Burati J L, Amirkhanian S N, et al. Polyester fibers in asphalt paving mixtures[J]. Association Asphalt Paving Technology, 1989, 58(6): 387-409.

[4] Moussa G K. Effect of addition of short fibers of poly-acrylic and polyamide to asphalt mixtures[J]. AEJ-Alexandria Eng Journal, 2003, 42(3): 329-336.

[5] 陳華鑫, 張爭奇, 胡長順. 纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 32(4): 82-86.

[6] JTJ 052-2000, 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)范[S].