纖維增強(qiáng)瀝青混合料低溫性能及增強(qiáng)機(jī)理試驗(yàn)

荀家正 封基良

摘 要：針對(duì)摻加不同材質(zhì)、不同長(zhǎng)度纖維材料增強(qiáng)的瀝青混合料應(yīng)用MTS 810材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行未切縫及預(yù)切縫三點(diǎn)低溫彎曲試驗(yàn)，通過(guò)臨界應(yīng)變能密度及應(yīng)力強(qiáng)度因子方法評(píng)價(jià)低溫性能探討了纖維增強(qiáng)機(jī)理。結(jié)果表明：摻加纖維能有效阻滯裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，提高瀝青混合料的低溫抗裂能力，且隨纖維力學(xué)強(qiáng)度的增大及長(zhǎng)度的適當(dāng)增長(zhǎng)，纖維的增強(qiáng)效果進(jìn)一步改善。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料；纖維；臨界應(yīng)變能密度；應(yīng)力強(qiáng)度因子

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Experimental Study on Low Temperature Properties and Enhancement Mechanism of Fiber Reinforced Asphalt Mixture

XUN Jiazheng1， FENG Jiliang2

（1. Yunnan Sunny Road & Bridge Co. Ltd.， Kunming 650200， Yunnan， China； 2. School of Architectural

Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650214， Yunnan， China）

Abstract： Fibers with various lengths and strength were added to asphalt mixture to assess their effect on crack resistance， and threepoint bending tests were performed on unnotched and notched specimens with MTS 810 to study the crack propagation resistance with critical strain energy density and stress intensity factor at low temperature. The results show that while adding fiber to asphalt mixture can effectively improve its performance at low temperature and enhance the crack resistance， the enhancement could be even better following the increasing of mechanical strength of the fiber and its length.

Key words： asphalt mixture； fiber； critical strain energy density； stress intensity factor

0 引 言

寒冷季節(jié)溫度周期性變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力及行車荷載作用產(chǎn)生的累積應(yīng)力會(huì)使材料損傷導(dǎo)致路面產(chǎn)生開(kāi)裂。在瀝青混合料中摻入纖維是一種提高混合料抗裂性能的手段，國(guó)內(nèi)外對(duì)此開(kāi)展了大量研究，并取得較大進(jìn)展[1]；但關(guān)于纖維長(zhǎng)度及纖維力學(xué)性能對(duì)纖維瀝青混合料（FRAM）阻裂作用的研究很少。本文采用臨界應(yīng)變能密度及應(yīng)力強(qiáng)度因子判斷纖維瀝青混合料的抗裂性能，研究纖維長(zhǎng)度及纖維力學(xué)性能對(duì)混合料抗開(kāi)裂及阻滯裂紋擴(kuò)展能力的影響，為熱拌瀝青混合料用纖維的選擇提供借鑒。

1 原材料

試驗(yàn)采用SBS改性瀝青，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。碎石采用花崗巖，礦粉為石灰石，混合料級(jí)配為AC16C型。纖維采用廈門鑫富榮纖維有限公司生產(chǎn)的聚脂纖維及北京特希達(dá)科技有限公司提供的FORTA AR纖維，聚脂纖維的長(zhǎng)度分別為3、6、15 mm，摻量均為2.5‰，F(xiàn)ORTA AR纖維的摻量為045‰，長(zhǎng)度為19 mm，纖維的基本性能如表2所示。

2 未切縫試件低溫試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》

2.2 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

不同纖維長(zhǎng)度的纖維瀝青混合料在-10 ℃下的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

2.3 利用彎曲應(yīng)變能密度評(píng)價(jià)混合料的低溫性能

中國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）以瀝青混合料的破壞應(yīng)變作為低溫性能控制指標(biāo)。然而，瀝青混合料的強(qiáng)度和變形是路面結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)參數(shù)，在衡量瀝青混合料性質(zhì)時(shí)僅考慮材料的強(qiáng)度參數(shù)或變形特性，對(duì)于評(píng)價(jià)瀝青混合料路用性能是不利的[4]。因此，有必要尋找一種反映強(qiáng)度和變形的綜合技術(shù)參數(shù)。

依據(jù)材料的損傷準(zhǔn)則，材料的損傷過(guò)程包括裂縫的產(chǎn)生、亞臨界狀態(tài)增大及最后終止3個(gè)階段。假定材料的破壞形式與單位體積內(nèi)的能量變化相對(duì)應(yīng)，則材料的損傷可以用應(yīng)變能密度函數(shù)dWdV表示，即

dWdV=∫ε00σijdεij（1）

式中：W為外力所作的功；V為體積；σij、εij分別為應(yīng)力、應(yīng)變分量；ε0為最大彎拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值（以下簡(jiǎn)稱臨界應(yīng)變）。

dWdV的臨界值是斷裂時(shí)實(shí)際單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線下的面積。材料在單向拉伸時(shí)可按式（1）計(jì)算臨界應(yīng)變能密度，它反映了材料發(fā)生破壞所需的能量，其值越大，低溫性能越好。

根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以用多項(xiàng)式擬合，即

σ=Akεk+Ak-1εk-1+…+A1ε+A0（2）

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；Ak、Ak-1、…、A0為常數(shù)，與材料類型有關(guān)；k為擬合多項(xiàng)式的最高次項(xiàng)。本文采用三次多項(xiàng)式擬合，相關(guān)系數(shù)大于0.995，纖維瀝青混合料的臨界應(yīng)變能計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

2.4 結(jié)果分析

從圖1可知，纖維長(zhǎng)度為6 mm的纖維瀝青混合料破壞應(yīng)變最大，纖維長(zhǎng)度為15 mm的纖維瀝青混合料次之，而摻加纖維長(zhǎng)度為3 mm及19 mm的纖維瀝青混合料的彎拉破壞應(yīng)變則均小于不摻纖維的瀝青混合料。若單純以彎拉應(yīng)變作為控制指標(biāo)，得出摻加19 mm長(zhǎng)的FORTA AR纖維及摻加3 mm長(zhǎng)的聚脂纖維使混合料低溫性能變差。但從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻入纖維后瀝青混合料的彎拉破壞強(qiáng)度均有不同幅度的提高，其中摻加19 mm長(zhǎng)FORTA AR纖維的混合料強(qiáng)度提高的幅度最大，達(dá)292%，摻加3 mm長(zhǎng)的聚脂纖維混合料強(qiáng)度提高121%。強(qiáng)度和變形是材料的2個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，在衡量瀝青混合料的性質(zhì)時(shí)僅考慮強(qiáng)度或變形，對(duì)混合料的路用性能評(píng)價(jià)是不利的，存在一定的局限性。

瀝青混合料強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而增大，表明纖維長(zhǎng)度適當(dāng)增長(zhǎng)，瀝青混合料通過(guò)界面作用傳遞給纖維的作用力增大，有利于發(fā)揮纖維材料的特點(diǎn)，從而提高瀝青混合料的強(qiáng)度。摻量?jī)H為0.45‰FORTA AR纖維的瀝青混合料強(qiáng)度增加效果最大，達(dá)292%，說(shuō)明纖維本身的力學(xué)特性對(duì)瀝青混合料的影響很大。但由于FORTA AR纖維是由紡綸纖維與聚丙烯纖維按1∶3的比例組成，單絲纖維的數(shù)量較少，纖維間距較大，當(dāng)加載速率較高時(shí)，對(duì)裂紋的阻滯作用較小，破壞彎曲應(yīng)變反而變小，表現(xiàn)出脆性較大。

從圖2可知，摻加纖維的瀝青混合料臨界應(yīng)變能均大于未摻纖維的瀝青混合料，其中摻加2.5‰的6 mm長(zhǎng)聚脂纖維的瀝青混合料低溫性能改善幅度最大，達(dá)到50%，摻0.45‰的19 mmFORTA AR纖維的瀝青混合料臨界應(yīng)變能也增加了16%。表明摻加增強(qiáng)纖維可有效提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。各類纖維瀝青混合料低溫抗裂性能優(yōu)劣順序?yàn)椋?.5‰6 mm聚脂纖維、2.5‰15 mm聚脂纖維、25‰3 mm聚脂纖維、0.45‰19 mmFORTA AR纖維、未摻纖維。

3 預(yù)切縫試件三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試件準(zhǔn)備

預(yù)切縫小梁試件的尺寸與未切縫小梁試件一致，考慮到臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子是材料的性能指標(biāo)，與裂縫深度沒(méi)有關(guān)系。本文選取的切縫深度為1 mm，切縫角約為20°，每組制備4個(gè)試件，用MTS 810材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度仍為-10 ℃，加載速率為50 mm·min-1。

3.2 斷裂韌性

纖維瀝青混合料的臨界斷裂強(qiáng)度因子可由試驗(yàn)確定。對(duì)有預(yù)切縫的小梁彎曲試驗(yàn)，應(yīng)力強(qiáng)度的計(jì)算因子KIC可用L Monismith給出的公式計(jì)算[5]

3.3 結(jié)果分析

從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出：摻加FORTA AR纖維的混合料臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子最大，較基質(zhì)瀝青混合料增大14.97%；摻加聚脂纖維的瀝青混合料臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子也有增大，其中3、6、15 mm長(zhǎng)的聚脂纖維混合料臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子增大的幅度分別為3.78%、6.24%及4.47%。纖維瀝青混合料應(yīng)力強(qiáng)度因子隨纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)有增大的趨勢(shì)，表明隨纖維長(zhǎng)度的增加，基質(zhì)瀝青混合料傳遞給纖維的作用力增大，增強(qiáng)作用更明顯。其中15 mm長(zhǎng)聚脂纖維的增強(qiáng)效果比6 mm長(zhǎng)聚脂纖維差，主要原因是纖維的分散性較差，纖維在15 mm長(zhǎng)時(shí)，由于截面較小，在拌和過(guò)程中產(chǎn)生的靜電作用易使纖維纏繞在攪拌葉片上（圖3），分散性較差，從而影響了聚脂纖維對(duì)混合料性能的改善效果。從試驗(yàn)結(jié)果看，若未能采取有效措施解決較長(zhǎng)纖維的分散性問(wèn)題，選擇6 mm長(zhǎng)的纖維是合適的。

4 低溫性能改善機(jī)理

瀝青混合料出現(xiàn)韌性破壞的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在斷裂后裂紋迅速擴(kuò)展貫穿整個(gè)試件，而纖維瀝青混合料則出現(xiàn)裂而不斷的現(xiàn)象。主要原因在于，當(dāng)瀝青混合料基體發(fā)生開(kāi)裂后，纖維的橋接作用仍可使混合料維持一定的承載能力。

4.1 纖維的阻裂機(jī)理

由于瀝青混合料內(nèi)部存在缺陷或裂紋，在溫度應(yīng)力及行車荷載作用下，裂縫尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)在瀝青混合料中摻入高抗拉強(qiáng)度、高模量的增強(qiáng)纖維后，因纖維的直徑很小、長(zhǎng)度較短，數(shù)量眾多的纖維均勻分散后可形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到阻滯作用，約束裂紋或材料缺陷的進(jìn)一步擴(kuò)展，從而改善材料的低溫抗裂性能。纖維阻裂機(jī)理可基于線彈性斷裂力學(xué)原理的應(yīng)力強(qiáng)度因子疊加法（簡(jiǎn)稱K疊加法）分析[68]。按照K疊加法，纖維瀝青混合料中裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子可表示為

可見(jiàn)，在裂紋尖端穿過(guò)纖維的瞬間，纖維對(duì)裂紋的阻滯作用是巨大的。用疊加原理可得尖端穿過(guò)一系列纖維時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子。這是纖維瀝青混合料在低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后可保持裂而不斷，而不加纖維的瀝青混合料則表現(xiàn)出明顯的脆性破壞的主要原因之一。

4.2 纖維的加筋機(jī)理

按照復(fù)合材料理論，纖維瀝青混合料的勁度模量Ec和抗拉強(qiáng)度σc為

由于纖維的強(qiáng)度和模量較瀝青混合料的強(qiáng)度和勁度模量高得多，所以纖維瀝青混合料的強(qiáng)度增加，纖維猶如給瀝青混合料“微加筋”，對(duì)瀝青混合料起增強(qiáng)作用。低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果也表明了瀝青混合料摻入纖維后，強(qiáng)度和模量得到提高。但復(fù)合材料理論僅是一種理想狀態(tài)，纖維的增強(qiáng)作用不僅與纖維材料的性質(zhì)有關(guān)，還與纖維在混合料中的分散情況、纖維與瀝青混合料的界面粘結(jié)、纖維的有效長(zhǎng)度等密切相關(guān)；而纖維與瀝青混合料基體的界面粘結(jié)還與纖維的幾何特征、纖維與瀝青混合料的相容性有關(guān)。

4.3 纖維的增韌機(jī)理

眾所周知，瀝青混合料是一種粘彈性材料，高溫下變軟，低溫下變脆，在溫度應(yīng)力及行車荷載的作用下會(huì)因抗變形能力不足而發(fā)生開(kāi)裂。在瀝青混合料中摻入高抗拉強(qiáng)度及高模量的纖維，不僅可提高瀝青混合料基材的強(qiáng)度，還可增加混合料的變形能力，使材料具有很高的韌性。對(duì)纖維瀝青混合料而言，即使已出現(xiàn)裂紋，纖維的橋接作用仍可使材料繼續(xù)承受外載作用。韌性實(shí)際上表示材料在外載作用下吸收能量的能力，其含義是材料不僅應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，還須具有良好的變形（包括彈性變形或粘性變形）能力，可用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系定量描述，通過(guò)常用材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線所包圍的面積Ω表示，與應(yīng)變能密度dWdV的計(jì)算方法相同[9]。

韌性的大小不僅取決于材料的強(qiáng)度，也取決于材料破壞時(shí)的變形性能。材料的強(qiáng)度高，若變形能力差，或變形能力好但強(qiáng)度低，其韌性都不會(huì)大，抗裂性能自然也不會(huì)好。選擇合適的纖維材料及摻量，可使混合料的強(qiáng)度增強(qiáng)，還會(huì)因發(fā)生多縫開(kāi)裂模式，使變形能力提高，從而改善混合料的低溫性能。纖維瀝青混合料低溫性能應(yīng)變能密度評(píng)價(jià)也證實(shí)了這一點(diǎn)。

4.4 纖維對(duì)瀝青混合料自愈能力的增強(qiáng)機(jī)理

由于瀝青混合料是粘彈性材料，路面具有應(yīng)力松弛的能力，所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸松弛減小，乃至消失；因而不需像水泥混凝土路面一樣設(shè)置收縮縫[10]。瀝青混合料的這種自愈能力對(duì)路面的抗開(kāi)裂能力及抗疲勞能力具有重要的影響。自愈過(guò)程的重要性已由Kim等應(yīng)用應(yīng)力波技術(shù)測(cè)量瀝青混凝土層歇息24 h前后的彈性模量驗(yàn)證。彈性模量隨溫度的增加而減小，24 h間隔后的模量顯示出明顯的恢復(fù)，如圖4所示。

纖維瀝青混合料在受到拉伸的過(guò)程中，纖維可阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)裂紋擴(kuò)展起到阻滯作用，外界作用力存在時(shí)，纖維受到拉伸變形，外界作用消失后，將發(fā)生彈性回復(fù)，促使瀝青混合料恢復(fù)原來(lái)的形態(tài)，增強(qiáng)材料自愈能力，減小外力作用引起的損傷，從而改善材料的抗裂能力，提高低溫性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）摻加纖維可提高瀝青混合料的強(qiáng)度，強(qiáng)度提高的幅度與纖維的長(zhǎng)度及纖維材料本身的力學(xué)特性相關(guān)。纖維的強(qiáng)度和模量愈高，增強(qiáng)效果愈好；適當(dāng)增加纖維的長(zhǎng)度有利于提高纖維的增強(qiáng)效果。

（2）摻6 mm長(zhǎng)及15 mm長(zhǎng)聚脂纖維的瀝青混合料的強(qiáng)度及破壞應(yīng)變均增加，而摻045‰3 mm長(zhǎng)的纖維使混合料彎拉破壞強(qiáng)度提高，但破壞應(yīng)變較不摻纖維的瀝青混合料小。

（3）強(qiáng)度和變形是材料的2個(gè)重要參數(shù)，只以變形作為評(píng)價(jià)指標(biāo)不全面，而臨界應(yīng)變能密度是一種反映了材料的強(qiáng)度和變形的綜合性參數(shù)，可用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能。

（4）按臨界應(yīng)變能密度評(píng)價(jià)纖維瀝青混合料低溫抗裂性能按優(yōu)劣排序依次為：摻2.5‰6 mm聚脂纖維、摻25‰15 mm聚脂纖維、摻2.5‰3mm聚脂纖維、摻0.45‰19mmFORTA AR纖維、未摻纖維瀝青混合料。

（5）在瀝青混合料中摻入纖維后，纖維的橋接作用可有效改善混合料對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻滯作用，提高低溫抗裂性能。

（6）纖維阻裂作用的大小與纖維材料的力學(xué)強(qiáng)度及埋深有關(guān)，纖維的強(qiáng)度愈大，長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，通過(guò)混合料基體傳遞給纖維的界面作用力愈大，阻裂性能越好。但纖維長(zhǎng)度的選擇應(yīng)保證纖維能在混合料中有效分散，否則會(huì)引起纖維成束，降低材料的利用率。

（7）試驗(yàn)結(jié)果表明，選擇纖維長(zhǎng)度為6 mm是合適的，在解決好纖維分散性的情況下，適當(dāng)增長(zhǎng)纖維的長(zhǎng)度有利于充分發(fā)揮纖維的優(yōu)良特性，提高混合料性能。

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[責(zé)任編輯：黨卓鈺]