短切柔性纖維對(duì)密實(shí)型瀝青混凝土斷裂特性的影響

郭慶林, 王紅雨, 高 穎, 楊邯超

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，邯鄲 056038)

瀝青混凝土路面以其優(yōu)越的路用性能得到廣泛應(yīng)用，而路面開(kāi)裂一直是瀝青路面最大的危害之一。中外學(xué)者針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了許多研究，其中通過(guò)摻入纖維來(lái)增加瀝青混凝土抗裂性已得到道路工程界的廣泛認(rèn)可。纖維的首次引入是在20世紀(jì)60年代，加拿大多倫多大學(xué)Davis提出在瀝青混合料中摻入纖維材料以提高瀝青路面的抗反射裂縫性能。中國(guó)對(duì)纖維改性瀝青混合料的研究較晚，到20世紀(jì)90年代中期，隨著瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)的引入和纖維添加劑的出現(xiàn)，才逐漸走入人們的視線[1]。近年來(lái)，隨著試驗(yàn)設(shè)備與方法的不斷完善更新，先進(jìn)的試驗(yàn)測(cè)試方法逐漸被用以研究纖維的增強(qiáng)效果。文月皎[2]選取玄武巖纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維進(jìn)行對(duì)比分析，考查三種纖維的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、吸濕性以及吸油性，結(jié)果表明玄武巖纖維的吸濕率最小，力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于聚酯纖維和木質(zhì)素纖維。同時(shí)，玄武巖纖維的加入可以提高瀝青混合料的低溫抗裂性能，玄武巖纖維的最佳摻量為0.4%。Cuo等[3]證明玻璃纖維解決了硅藻土改性瀝青混合料在低溫變形性能方面的不足。高丹盈等[4]通過(guò)外摻聚酯纖維和玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性處理，研究認(rèn)為溫度是影響瀝青混凝土劈裂性能的主要外部因素；纖維長(zhǎng)徑比和摻量對(duì)間接拉伸性能的影響與溫度有關(guān)。張文浩等[5]基于半圓抗拉試驗(yàn)，采用抗拉強(qiáng)度、斷裂能指標(biāo)評(píng)價(jià)路面各結(jié)構(gòu)層的抗裂性能，結(jié)果表明半圓彎曲試驗(yàn)可有效評(píng)價(jià)混合料的抗裂性能，同時(shí)混合料抗裂性能受瀝青膠結(jié)料性能和交通荷載的影響較大。劉宇等[6]采用半圓抗拉和間接拉伸兩種試驗(yàn)方法對(duì)密實(shí)型瀝青混合料的抗裂效果進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明半圓抗拉試驗(yàn)更適合于評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗拉性能。周若來(lái)等[7]為對(duì)SMA-16和AC-16兩種混合料進(jìn)行了間接拉伸、小梁彎曲和開(kāi)口半圓抗拉試驗(yàn)，對(duì)比了不同試驗(yàn)方法的穩(wěn)定性和混合料抗裂性能差異，結(jié)果表明極限破壞應(yīng)變、應(yīng)變能和斷裂能指標(biāo)更適用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能。

近年來(lái)，數(shù)字圖像散斑技術(shù)作為一種新型的光學(xué)無(wú)損測(cè)量方法，逐漸被道路工程界用來(lái)探究瀝青混合料的受力變形機(jī)理。晏永等[8]通過(guò)小梁三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)方法來(lái)研究鋼橋面鋪裝中瀝青混合料斷裂特性及裂紋擴(kuò)展規(guī)律。Tan等[9]采用數(shù)字圖像散斑技術(shù)對(duì)間接拉伸過(guò)程中的變形特性進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)對(duì)于準(zhǔn)確研究瀝青混合料的斷裂特性非常有用。邢超[10]采用數(shù)字散斑方法分析間接拉伸、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、單邊開(kāi)口梁彎曲應(yīng)變場(chǎng)，研究了不同破壞模式下應(yīng)變場(chǎng)變化規(guī)律。王嵐等[11]對(duì)鹽溶液和水溶液凍融循環(huán)后瀝青混合料進(jìn)行了半圓抗拉試驗(yàn)，結(jié)論表明數(shù)字圖像散斑技術(shù)的分析結(jié)果與斷裂韌性分析結(jié)果一致，采用數(shù)字圖像散斑技術(shù)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能是可行的。

從以上分析可以看出，纖維對(duì)增強(qiáng)瀝青混合料的抗裂性具有至關(guān)重要的作用，而以往的研究主要集中在纖維改性瀝青混合料整體力學(xué)性能方面的研究，對(duì)纖維的阻裂機(jī)理缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，數(shù)字圖像散斑技術(shù)的推廣應(yīng)用為瀝青混合料抗裂性的研究提供了有效的測(cè)試手段。因此，選取常用的玻璃纖維和玄武巖纖維為研究對(duì)象，進(jìn)行半圓抗拉試驗(yàn)。進(jìn)而分析不同纖維對(duì)瀝青混合料的改性加筋效果。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料性能指標(biāo)

試驗(yàn)所用瀝青為AH-70#道路石油瀝青，其基本性能如表1所示。所選玻璃纖維及玄武巖纖維的物理性能如表2所示，纖維摻量為0.5%?；旌狭霞?jí)配為AC-13型密實(shí)級(jí)配，級(jí)配數(shù)據(jù)如圖1所示。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為4.6%。

表1 AH-70#瀝青技術(shù)性能

表2 纖維物理性能

圖1 試驗(yàn)級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)測(cè)試方法

采用重型擊實(shí)法在實(shí)驗(yàn)室制備Ф152.4 mm×95.3 mm大型馬歇爾試件，試件空隙率為4.2%，表觀密度為2.424 g/cm3，并沿中心軸切割成1/4半圓試件，半圓試件厚度為(42±3)mm，為較好地誘導(dǎo)裂縫開(kāi)裂路徑，底邊中點(diǎn)預(yù)切口深度為1 cm。試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示，試件底部由兩根圓輥支撐，支撐間距為100 mm。由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采取控制加載，以1 mm/min的速率施加荷載，試驗(yàn)溫度為20 ℃，同時(shí)將工業(yè)相機(jī)連接至電腦，以2 s/flag的采集頻率采集加載過(guò)程的圖像，后期對(duì)采集的數(shù)字圖像進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)分析，獲得全場(chǎng)實(shí)時(shí)應(yīng)變及位移，采用開(kāi)源數(shù)字圖像相關(guān)分析軟件Ncorr進(jìn)行散斑圖像相關(guān)分析[12]。

圖2 半圓抗拉試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維對(duì)抗拉強(qiáng)度、應(yīng)變及模量的影響

最大抗拉強(qiáng)度及最大抗拉應(yīng)變是半圓抗拉試驗(yàn)的重要指標(biāo)，Huang等[13]對(duì)支撐間距為(2/3)D的半圓抗拉試件做出了研究，表明應(yīng)使用式(1)來(lái)計(jì)算最大抗拉強(qiáng)度：

(1)

式(1)中：σt為試件底部最大抗拉強(qiáng)度，MPa；P為試件荷載，N；D為試件的直徑，mm；t為試件厚度，mm?？紤]到裂縫引起的應(yīng)力集中效應(yīng)，采用有限元方法對(duì)帶裂縫半圓抗拉試件最大抗拉應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析，并對(duì)式(1)進(jìn)行了修正，得到式(2)：

(2)

采用數(shù)字圖像散斑技術(shù)對(duì)裂縫尖端附近50 mm范圍內(nèi)的拉伸應(yīng)變進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖3所示。

圖3 抗拉應(yīng)變及裂縫縫嘴張開(kāi)位移采集示意圖

基于最大抗拉應(yīng)力和抗拉應(yīng)變，分析混合料的彈性模量變化情況，模量按照式(3)計(jì)算。

(3)

式(3)中：εl=50為試件裂隙尖端附近50 mm最大抗拉應(yīng)變；E為試件的彈性模量，MPa。

由式(2)計(jì)算得到的不同纖維瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度如圖4所示。由圖4可以看出，加入玻璃纖維之后，試件的抗拉強(qiáng)度均有明顯的提高，且提高幅度隨著纖維長(zhǎng)度的增加而增加。而玄武巖纖維只有當(dāng)長(zhǎng)度為6 mm時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度有小幅度的增加，其他長(zhǎng)度均會(huì)降低試件的抗拉強(qiáng)度。其中，摻入玻璃纖維12 mm的瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度最高，與基質(zhì)瀝青混凝土相比，約提高了33%，摻入玄武巖纖維6 mm的瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度約提高了15%。而對(duì)于12、20 mm的玄武巖纖維改性瀝青混凝土，其強(qiáng)度約降低了20%?？估瓚?yīng)變變化規(guī)律如圖5所示。

圖4 不同纖維瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度

圖5 不同纖維瀝青混凝土的極限拉伸應(yīng)變

由圖5可以看出，與基質(zhì)瀝青混凝土相比，加纖維的試件抗拉應(yīng)變均有不同程度的提高，說(shuō)明短切纖維有效提高了瀝青混凝土的破壞延性，從而達(dá)到抑制裂縫開(kāi)裂的目的。其中，抗拉應(yīng)變提高幅度最大的為玄武巖纖維12 mm，其次是玻璃纖維6 mm，二者均有一個(gè)較為明顯的增加，對(duì)于12 mm玻璃纖維及6 mm玄武巖纖維，破壞應(yīng)變雖略有提高，但基本無(wú)變化。由此可見(jiàn)，從提高瀝青混凝土延性角度出發(fā)，12 mm 玄武巖纖維可以作為最佳選擇。如果以破壞強(qiáng)度及破壞應(yīng)變綜合考慮，則6 mm玻璃纖維為最優(yōu)選擇，這樣既可以保證改性后瀝青混凝土的強(qiáng)度又可顯著提高其延性。模量變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同纖維瀝青混凝土的模量

圖6顯示了不同纖維改性瀝青混凝土的模量差異，由圖6可以看出，加入纖維后瀝青混凝土的模量發(fā)生了波動(dòng)，對(duì)比不同長(zhǎng)度的纖維可以看出，纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，波動(dòng)程度越大。為保證改性后瀝青混凝土材料性質(zhì)的均勻性，建議采用長(zhǎng)度為6 mm的纖維對(duì)瀝青混凝土進(jìn)行改性，不僅能保證改性后瀝青混合料強(qiáng)度和延性，同時(shí)還能控制瀝青混合料因拌和攤鋪導(dǎo)致的離散性。

2.2 裂縫開(kāi)展規(guī)律分析

裂縫縫嘴位置張開(kāi)位移(CMOD)，可以衡量裂縫張開(kāi)程度。采用數(shù)字圖像散斑技術(shù)對(duì)CMOD進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 荷載-CMOD關(guān)系曲線

從圖7可以看出，當(dāng)荷載達(dá)到峰值時(shí)，纖維瀝青混凝土的CMOD明顯高于基質(zhì)瀝青混凝土的，同時(shí)從峰后荷載-CMOD曲線可以看出，纖維瀝青混凝土具有更高的峰后持荷能力，說(shuō)明纖維有效提高了瀝青混凝土的延性及峰后承載能力，纖維有效抑制了承載過(guò)程中裂縫的發(fā)展，起到了應(yīng)有的阻裂作用。對(duì)比不同纖維的荷載-CMOD曲線可以發(fā)現(xiàn)，玻纖改性瀝青混凝土不但提高了彎曲破壞荷載同時(shí)也具有更高的峰后承載能力。玄武巖纖維改性瀝青混凝土的極限承載力隨纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而降低，但峰后承載能力卻明顯高于基質(zhì)瀝青混凝土。由此不難看出，纖維不但可以提高瀝青混凝土的延性，而且可以有效提高瀝青混凝土的峰后承載能力，或者說(shuō)在瀝青混凝土開(kāi)裂后仍能保持較高的承載力。

2.3 臨界斷裂能及斷裂韌性分析

為了從能量的角度分析纖維對(duì)瀝青混凝土的加筋效果，以臨界斷裂能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。臨界斷裂能按照式(4)計(jì)算得到。

(4)

式(4)中：GF為臨界斷裂能，J/m2；W為荷載位移曲線下的面積，J；B為試件厚度，mm；R為試件半徑，mm；a為預(yù)切口長(zhǎng)度，mm；A為斷裂面積，mm2。

實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)同一材料的不同構(gòu)件，若以同一種開(kāi)裂形式加載，且處于同一種應(yīng)力狀態(tài)下，那么它們斷裂時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子是相同的，這一值是一種臨界值，這一處于平面應(yīng)變狀態(tài)下的臨界值被稱(chēng)為KIC。斷裂準(zhǔn)則可以表示為：當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到某一臨界值KIC時(shí)，裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，臨界值KIC稱(chēng)為材料的斷裂韌性[14-15]。它表征材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，是材料的一種韌性指標(biāo)，是反應(yīng)材料性能的一個(gè)參量。

(5)

(6)

式中：KIC為試件的斷裂韌性，N/mm1.5；σmax為試件最大抗拉強(qiáng)度，N/mm2；w為試件寬度，mm。

臨界斷裂能變化規(guī)律如圖8所示，斷裂韌性變化規(guī)律如圖9所示。

圖8 不同纖維瀝青混凝土的臨界斷裂能

由圖8可以看出，加入纖維之后，所有試件的臨界斷裂能都有不同程度的提高，其中玻璃纖維改性瀝青混凝土的臨界斷裂能最高，提高了約50%。玄武巖纖維改性瀝青混凝土的臨界斷裂能雖有提高，但提高幅度有限，僅為2%～20%。說(shuō)明纖維種類(lèi)對(duì)改性后瀝青混凝土的斷裂能量具有顯著影響。從斷裂能量角度考量，表明玻璃纖維的改性效果要優(yōu)于玄武巖纖維，同時(shí)還可以看出玻璃纖維的長(zhǎng)度對(duì)臨界斷裂能的影響不明顯。

由圖9可以看出，玻璃纖維改性瀝青混凝土的斷裂韌性有明顯提高，玄武巖纖維在長(zhǎng)度較短時(shí)(6 mm)對(duì)提高瀝青混凝土的斷裂韌性具有較好的效果，當(dāng)長(zhǎng)度大于12 mm后會(huì)降低改性后瀝青混凝土的斷裂韌性。說(shuō)明玻璃纖維改性瀝青混凝土發(fā)生裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界值更高，具有更強(qiáng)的抗裂能力。從斷裂韌性角度來(lái)看，短切柔性纖維的最大長(zhǎng)度不宜超過(guò)12 mm。

3 結(jié)論

利用半圓抗拉試驗(yàn)探討了玻璃纖維和玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土開(kāi)裂特性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)玻璃纖維和玄武巖纖維能顯著提高瀝青混凝土的極限抗拉強(qiáng)度和極限破壞應(yīng)變，但當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過(guò)12 mm后，雖纖維能改善瀝青混凝土延性但會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的顯著衰減。

(2)纖維改性瀝青混凝土具有更高的峰后持荷能力，纖維改性瀝青混凝土在開(kāi)裂后仍能保持較高的承載力。玻璃纖維改性瀝青混凝土具有更高的臨界斷裂能與斷裂韌性，若以斷裂韌性作為纖維優(yōu)選指標(biāo)，建議短切纖維長(zhǎng)度不宜超過(guò)12 mm。綜合各方面指標(biāo)以后，建議工程應(yīng)用中采用長(zhǎng)度不超12 mm的短切纖維。