含玻璃纖維的瀝青混凝土抗裂性能的評價*

劉朋飛，郭慶林

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

瀝青路面的開裂是一種常見的破壞形式,不僅會使水滲入到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部,加速瀝青路面的破壞,同時會影響行車的舒適度和安全性。因此控制瀝青路面的開裂十分必要,研究人員根據(jù)裂紋面的受力情況和斷裂特征將裂紋分為三種類型[1]：I 型(張開型）、II 型(滑開型）、III 型(撕開型）,單純的溫度變化所引起的開裂屬于I型斷裂模式,行車荷載和溫度所引起的開裂屬于I/II 型混合斷裂模式。

眾所周知,纖維的加入可以改變?yōu)r青混合料的抗裂性能,提高瀝青混合料的低溫延性,而目前纖維種類眾多,常用的有聚酯纖維、木質(zhì)纖維、玻璃纖維等。由于其良好的界面浸潤性,玻璃纖維能與瀝青膠漿粘結(jié)強度高,是一種良好的增韌纖維[2]。和燕超等[3]分析了玻璃纖維對瀝青混合料的路用性能影響,結(jié)果表明玻璃纖維可以顯著增強瀝青混合料的路用性能,沈楸等[4]則指出玻璃纖維可以提高熱拌瀝青混合料的穩(wěn)定性,且最佳含量宜為0.2%。以上研究表明,玻璃纖維增強瀝青混合料正引起越來越多的關(guān)注,而且玻璃纖維的增強效果好于其他纖維。

在瀝青混合料抗裂性評價方面,通常采用預(yù)制切縫小梁彎曲試驗[4-5]、間接拉伸試驗[6-7]及半圓彎曲試驗(SCB)[8-10]來研究斷裂模式。在這些方法中,SCB 由于試件制作簡單,可通過調(diào)整支撐和切縫的位置實現(xiàn)對不同斷裂模式(I 型、II 型和I/II 型）的分析,在瀝青混合料斷裂力學(xué)分析中得到了廣泛應(yīng)用。Lim 等[11]通過有限元方法計算了半圓彎拉試驗中各種幾何尺寸下的應(yīng)力強度因子， 指出隨著支座間距的減小或裂縫角度和長度的增加,開裂模式逐漸從I 型轉(zhuǎn)化成II 型。S.Pirmohammad等[12]研究了瀝青混凝土在不同加載模式和溫度下的抗斷裂性能,隨著溫度的降低,不同加載模式下的臨界應(yīng)力強度因子都會增加,但在-20℃時達(dá)到最大。通過提高剪切荷載的比例或通過降低Me,瀝青混合料的抗斷裂性能(Keff）先減小后增加。Mansourian 等[13]調(diào)查了黃麻纖維含量對瀝青混合料斷裂模式的影響,結(jié)果表明臨界應(yīng)力強度因子隨著溫度的降低而增加,黃麻纖維改善了模式I 和混合模式I/II(Me= 0.5）的抗斷裂性能,在模式II 和混合模式I/II(Me=0.2）時抗斷裂性能沒有改善,說明黃麻纖維對瀝青混合料不同斷裂性能的改善效果是不一樣的。

綜合以上兩方面分析看出,雖然玻璃纖維對增強瀝青混合料的抗裂性具有積極作用,但并不一定對所有開裂模式都具有增強作用(比如黃麻纖維）。對玻璃纖維在不同斷裂模式下的增韌效果進(jìn)行分析是十分必要的。而半圓彎拉試驗則非常適合對斷裂模式進(jìn)行測定。因此,本文通過研究玻璃纖維增強瀝青混合料的制備方法,制備玻璃纖維增強瀝青混合料及半圓彎拉試件,利用萬能試驗機進(jìn)行了非對稱半圓彎拉試驗,從而分析玻璃纖維瀝青混合料在中溫和低溫狀態(tài)下的斷裂性能。

1 原材料

1.1 瀝青和級配

本文實驗所用的瀝青為茂名石化工業(yè)生產(chǎn)的AH-70# 路面石油瀝青,其基本性能見表1。表2 為所選用的集料的基本性質(zhì)。根據(jù)JTG F40-2004 中推薦的級配范圍,選用AC-13 級配作為本試驗級配,級配曲線如圖1 所示。

表1 AH-70# 瀝青主要技術(shù)性能指標(biāo)Table 1 Main technical performance indicators of AH-70# asphalt

表2 集料的基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of aggregates

圖1 AC-13 級配曲線Fig.1 Gradation curve of AC-13

1.2 玻璃纖維

如圖2 所示,試驗選用長度為12mm 的玻璃纖維。玻璃纖維的基本性質(zhì)見表3。

圖2 玻璃纖維Fig.2 Glass fibre

表3 玻璃纖維的物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of glass fiber

2 試驗

2.1 玻璃纖維瀝青混凝土的準(zhǔn)備方法

首先,對集料、礦粉、玻璃纖維進(jìn)行稱重,并在160℃的烘箱中放置6h,瀝青在160℃的烘箱中放置3h即可,避免瀝青老化。之后把集料放入拌合機中進(jìn)行攪拌,拌合機的溫度控制在160℃。然后放入瀝青充分?jǐn)嚢?使瀝青均勻地分布在集料上。之后加入一半的纖維進(jìn)行第一次攪拌,攪拌結(jié)束后加入礦粉進(jìn)行第二次攪拌,最后加入剩余的纖維進(jìn)行第三次攪拌。這樣做的目的是確保纖維均勻分布在瀝青混合料中。再將攪拌均勻的瀝青混合料放入擊實儀試模中擊實,根據(jù)JTG E20-2011[14],馬歇爾試件兩面各擊實112 次。將放置24h 以上的試件進(jìn)行脫模,之后把尺寸為152.4mm×95.3mm 的馬歇爾試件切割成4 個SCB 試件， 切割后的SCB 試件的物理性質(zhì)見表4。

表4 不同類型SCB 試件的物理性質(zhì)Table 4 Physical properties of different types of SCB specimens

2.2 SCB 試驗

參照非對稱半圓彎拉試驗的試驗?zāi)Ｊ?對半圓試件進(jìn)行切縫處理,裂縫深度為20mm,切割后裂縫寬度為5mm。切割完成后,將半圓試件放入40℃烘箱內(nèi)烘干24h,然后將SCB 試件分別放入-10℃和20℃的保溫箱中保溫24h,利用萬能試驗機進(jìn)行半圓彎拉試驗,加載位移速率設(shè)置為1mm/min,試驗過程中,實時記錄荷載與跨中底部豎向位移。試驗過程如圖3 所示。

圖3 半圓彎曲實驗Fig.3 Semicircular bending test

參照A.Razmi[15]的論文中的應(yīng)力強度因子及斷裂模式,通過調(diào)整支座位置和切縫位置可以實現(xiàn)不同模式的斷裂 (I 型、II 型和I/II 型混合模式),模式混合參數(shù)(Me）用來描述模式I、模式II 之間的權(quán)重關(guān)系,其公式為：

式(1) 中:KI表示純I 型斷裂模式下的應(yīng)力強度因子,KII表示純II 型斷裂模式下的應(yīng)力強度因子,通過表5 中KI、KII的取值可以看出模式 I 的Me=1,模式 II 的Me=0,故Me的取值在0～1 之間。隨著Me的增加,剪應(yīng)力逐漸減小,張拉應(yīng)力逐漸增加,因此可以通過Me的大小來描述不同的加載模式。表5 中YI、YII的取值是通過以下公式求得：

其中YI、YII是SCB 試件的形狀、尺寸以及裂縫的位置和深度對其應(yīng)力強度因子影響的幾何參數(shù)。

不同斷裂模式對應(yīng)的支座位置、裂縫位置、模式混合參數(shù)Me、應(yīng)力強度因子(KI和KII）、幾何參數(shù)(YI和YII）見表 5。

表5 不同模式下SCB 試件的幾何因子Table 5 Geometric factors of SCB specimens in different modes

利用YI、YII的公式和試驗測得的最大荷載Pcr,通過以下公式可得到相應(yīng)的臨界應(yīng)力強度因子Keff：

式(4)中KIf為純I 型斷裂模式的臨界應(yīng)力強度因子,KIIf為純II 型斷裂模式的臨界應(yīng)力強度因子。

對于I/II 型斷裂模式的臨界應(yīng)力強度因子可用Keff表示,其公式為：

式(5)可以看出，當(dāng)為純I 型斷裂模式時,KIIf=0,即Keff=KIf。當(dāng)為純 II 型斷裂模式時,KIf=0,即Keff=KIIf。因此,可以通過Keff來表示不同斷裂模式下的臨界應(yīng)力強度因子。

除了臨界應(yīng)力強度因子,斷裂能也是評價瀝青混合料抗裂性能的一個重要指標(biāo)。斷裂能是指裂縫面從位移為零直到完全分離所消耗的能量,是內(nèi)聚力模型的參數(shù)之一,可以從荷載和位移兩方面分析瀝青混凝土的抗裂性能,斷裂能越大說明瀝青混合料的抗裂性能越好。通過半圓彎曲試驗可以得到荷載-跨中底部豎向位移曲線,然后計算荷載- 位移曲線下的包絡(luò)面積可以得到斷裂能[16]。

由于試件厚度和切口長度對斷裂能也有一定的影響,故本文引入了臨界斷裂能,臨界斷裂能是通過預(yù)切口為20mm 的半圓形試件的荷載- 位移曲線求得[17],計算公式為：

式(6）中：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)切口長度(mm）;A為斷裂面積/mm2。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 臨界應(yīng)力強度因子(Keff)

兩種溫度下,不同瀝青混合料的臨界應(yīng)力強度因子Keff隨Me的變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 不同斷裂模式的臨界應(yīng)力強度因子KeffFig.4 Critical stress intensity factors for diff erent fracture modes

由圖4 可見,在不同溫度條件下,隨著Me的增加,臨界應(yīng)力強度因子Keff呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢,兩種溫度下,臨界應(yīng)力強度因子的最小值均出現(xiàn)在Me=0.2 時,并且在Me=1 時達(dá)到最大值,這說明純I 型模式會高估瀝青混凝土的臨界應(yīng)力強度因子Keff,應(yīng)以混合模式條件下的Keff作為抗裂性能的評價指標(biāo), -10℃時,玻璃纖維提高了純II 型和I/II 型混合模式的臨界應(yīng)力強度因子,而對純I 型效果不明顯,20℃時,與基質(zhì)瀝青混合料相比,不同斷裂模式下的臨界應(yīng)力強度因子均有所降低,這主要是由于玻璃纖維與瀝青膠漿的粘結(jié)強度降低所導(dǎo)致的。由于瀝青用量保持不變,玻璃纖維表面吸收了部分自由瀝青,導(dǎo)致石料表面裹覆的瀝青膜厚度變小,最終導(dǎo)致了瀝青混合料強度的降低。這也說明在確定玻璃纖維改性瀝青混合料的油石比時,除了采用馬歇爾方法之外,還需要考慮纖維對瀝青混合料中低溫抗裂性能的改善情況。

3.2 臨界斷裂能(GF)

兩種溫度下,加入玻璃纖維后的臨界斷裂能GF隨加載模式參數(shù)Me的變化規(guī)律如圖5 所示。

圖5 不同斷裂模式的臨界斷裂能GFFig.5 Critical fracture energy of different fracture modes

由圖5 可知,在中、低溫環(huán)境下,玻璃纖維增強瀝青混合料的臨界斷裂能明顯高于基質(zhì)瀝青混合料,玻璃纖維增加了瀝青混合料抵抗開裂的能量。此外,基質(zhì)瀝青混合料的臨界斷裂能隨著模式參數(shù)Me的增大呈單調(diào)遞增的趨勢,而玻璃纖維增強瀝青混合料的臨界斷裂能隨Me的增大先增大后降低,在Me=0.5 時達(dá)到最大值,這說明加入玻璃纖維后,顯著提升了I/II 型混合模式的抗裂性能。

4 結(jié)論

使用電子萬能試驗機對SCB 試件進(jìn)行半圓彎曲試驗,分析了中低溫狀態(tài)下,玻璃纖維對瀝青混合料不同斷裂模式下的抗裂性能,通過本文研究得到如下結(jié)論：

(1）溫度對瀝青混凝土臨界應(yīng)力強度因子影響顯著,Keff隨著溫度的降低而增加。不同溫度下,隨著加載模式參數(shù)Me的增加臨界應(yīng)力強度因子先減小后增加,Keff的最小值均出現(xiàn)在Me= 0.2 時。在-10℃時加入玻璃纖維會增加Keff,在20℃加入反而會降低,臨界應(yīng)力強度因子對低溫的敏感性優(yōu)于中溫。

(2）溫度對瀝青混凝土臨界斷裂能有顯著影響,GF隨著溫度的降低而增加,基質(zhì)瀝青混合料的臨界斷裂能隨著模式參數(shù)Me的增大呈單調(diào)遞增的趨勢,玻璃纖維增強瀝青混合料的臨界斷裂能隨Me的增大先增大后降低,在Me=0.5 時達(dá)到最大值。

(3）純I 型或純II 型斷裂模式會高估瀝青混凝土的抗裂性能,加入玻璃纖維可以顯著提高瀝青混凝土I/II開裂模式的增韌效果。