纖維摻量對(duì)纖維瀝青混凝土的蠕變特性的影響

高陽

摘要： 根據(jù)單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)研究了不同纖維摻量瀝青混凝土的蠕變性能。分析了纖維瀝青混凝土的蠕變特性隨著纖維摻量變化的規(guī)律，討論了卸載后的回彈模量與纖維摻量的關(guān)系，分析得出合理纖維摻量。

關(guān)鍵詞： 纖維瀝青混凝土;纖維摻量;蠕變;回彈模量

1 引言

纖維瀝青混凝土作為一種新型路面材料以其表現(xiàn)出來的優(yōu)越路用性能得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本文針對(duì)不同纖維摻量的瀝青混凝土進(jìn)行了單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)研究，分析了纖維摻量對(duì)瀝青混凝土蠕變特性的影響，并且討論了其作用機(jī)理。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)研究采用AC-13 細(xì)粒式瀝青混凝土級(jí)配范圍的中值進(jìn)行配比， 應(yīng)用馬歇爾方法確定纖維瀝青混凝土的最佳瀝青用量。纖維摻量分別為瀝青混凝土總質(zhì)量的0，0.15%，0.2%，0.25%，0.3%。

（1） 瀝青性能

采用AH-90#瀝青。

（2） 集料性能

集料、礦粉均采用石灰?guī)r。

（3） 聚酯纖維性能

纖維選用山東泰安產(chǎn)聚酯纖維。

2.2? 試驗(yàn)方法

目前國(guó)內(nèi)外所采用的蠕變?cè)囼?yàn)方法主要以單軸靜載蠕變和彎曲蠕變最具代表性，本文采用單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)。

根據(jù)靜壓法成型圓柱體試件。試件尺寸直徑為100mm，高為100mm。每種纖維摻量選擇4個(gè)試件在MTS810材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)溫度為45℃。試驗(yàn)應(yīng)力水平為σ0= 0.1 MPa。加載60min，卸載15min。將試件置于環(huán)境箱中保溫3h。試驗(yàn)前預(yù)加應(yīng)力0.002MPa持續(xù)3min。對(duì)試件進(jìn)行加載和卸載， 每隔10s采集一次數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析

不同纖維摻量瀝青混凝土的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。隨著纖維用量的增加，瀝青混凝土的最佳瀝青用量增加，毛體積密度降低，空隙率和流值增大。馬歇爾穩(wěn)定度在纖維摻量為0.2%時(shí)出現(xiàn)最大值9.03kN。瀝青混凝土加入纖維后，由于纖維的比表面積增大，其吸附更多的瀝青，導(dǎo)致最佳瀝青用量增加。另一方面， 纖維的相對(duì)密度比集料小，纖維加入后占用一定的空間，密實(shí)性減弱，導(dǎo)致了瀝青混凝土的密度和空隙率的降低。纖維對(duì)瀝青混凝土的穩(wěn)定作用存在合理摻量。

3.2 蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

不同纖維摻量c的瀝青混凝土隨時(shí)間t變化的蠕變變形量d的蠕變曲線見圖1。從圖1可以看出， 各種纖維摻量的瀝青混凝土的蠕變變形規(guī)律與普通瀝青混凝土是一致的，表明纖維的加入沒有改變?yōu)r青混凝土的本身蠕變特性。在加載階段，在瞬時(shí)荷載作用下，試件首先產(chǎn)生瞬時(shí)變形，然后隨著恒載的繼續(xù)作用，試件變形不斷增加，最后變形增量逐漸趨于穩(wěn)定。卸載后彈性變形立即恢復(fù)，粘彈性變形隨時(shí)間逐漸恢復(fù)，粘塑性變形因?yàn)椴荒芑謴?fù)而成為永久變形。另一方面，從試驗(yàn)結(jié)果看，纖維摻量為0.20%時(shí)，曲線處于試驗(yàn)曲線的最下部位置，而當(dāng)纖維摻量增加到0.25%和0.30%時(shí)，曲線上移，甚至高于不加纖維的普通瀝青混凝土。

隨著纖維的加入， 纖維摻量較小時(shí)， 其分布均勻性較好， 與瀝青結(jié)合性能強(qiáng)，通過纖維的加筋和連接作用，使瀝青混合料的蠕變性能提高。纖維摻量逐漸增加后， 其蠕變性能進(jìn)一步增強(qiáng)，蠕變變形量出現(xiàn)最小值，因而纖維對(duì)瀝青混凝土的蠕變性能改善作用存在最佳摻量，此時(shí)纖維對(duì)混合料的加筋穩(wěn)定作用達(dá)到最佳。當(dāng)纖維摻量超過最佳摻量時(shí)，蠕變變形量緩慢增大。這是由于纖維摻量過大， 纖維分散的不均勻性，部分纖維結(jié)團(tuán)成束后，不僅沒有起到加筋作用，還成為瀝青混凝土的內(nèi)部的薄弱之處，使蠕變變形量增大。

蠕變勁度S是很重要的參數(shù)，S（t）=σ0/ε（t）。加載階段蠕變勁度隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

加載階段蠕變勁度與時(shí)間的雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線見圖3。從圖3可以看出纖維的加入，瀝青混凝土的蠕變勁度與時(shí)間仍然接近于線性關(guān)系。

蠕變勁度隨時(shí)間變化的曲線， 其加載部分可用冪函數(shù)形式進(jìn)行擬合，函數(shù)的表達(dá)式為：

加載階段冪函數(shù)回歸的結(jié)果見表5。從表5可以看出，B和m與纖維摻量具有較好的關(guān)系，擬合曲線見圖4，關(guān)系方程分別為式（2）和式（3）。

把式（2）和式（3）代入式（1）得到計(jì)入纖維摻量c的蠕變勁度表達(dá)式，通過該式可以分析各種纖維摻量瀝青混凝土在不同時(shí)間下的蠕變勁度。

蠕變勁度在不同的加載時(shí)間下隨纖維摻量變化的曲線如圖5所示。由圖5可見，在纖維摻量一定時(shí)，隨著加載時(shí)間的增加，蠕變變形逐漸增加。當(dāng)時(shí)間取定值時(shí)，蠕變勁度隨著纖維摻量的增加而發(fā)生改變，在計(jì)算的幾種時(shí)間下，蠕變勁度在摻量為0.1%-0.2%時(shí)能夠取得最大值。

為進(jìn)一步求出合理纖維摻量的精確值，把S（t，c）對(duì)c進(jìn)行求導(dǎo)之后，令其等于零，可得到在此纖維摻量范圍內(nèi)S（t，c）的極大值。在1000、1200、1800、2700、3600s 5種時(shí)間條件下的S（t，c）的最大值所對(duì)應(yīng)的c值分別為0.136%、0.137%、0.139%、0.142%、0.143%，平均值為0.139%，約等于0.14%，即計(jì)算得到的合理摻量約為0.14%。試驗(yàn)確定的合理纖維摻量約為0.2%，因此通過式（4）計(jì)算得到的合理纖維摻量存在一定的誤差性。

4 卸載后的回彈模量

卸載后的回彈模量，直接反映了路面的抗變形能力。利用卸載階段的試驗(yàn)曲線可以計(jì)算出纖維瀝青混凝土的卸載后的回彈模量，計(jì)算公式為：

式中：σ0為試驗(yàn)應(yīng)力;Δε為卸載前后應(yīng)變差值。

卸載后的回彈模量計(jì)算結(jié)果見表6和關(guān)系方程為式（6）。從表6中可以看出纖維摻量為0.2%的回彈模量最大，因此在此種纖維摻量下的瀝青混凝土的高溫抗變形能力最好。

5 結(jié)論

（1） 加入纖維后的瀝青混凝土的蠕變特性得到了改善。但是，蠕變變形隨著纖維摻量的變化表現(xiàn)出了先減小后增大的規(guī)律，在纖維摻量為0.2%時(shí)，蠕變變形達(dá)到最小。

（2）應(yīng)用計(jì)入纖維摻量的蠕變勁度回歸方程，求得纖維的合理摻量與試驗(yàn)確定的值存在一定的誤差。

（3）通過計(jì)算卸載后的回彈模量，加入纖維后的瀝青混凝土的回彈模量值高于普通瀝青混凝土，但是回彈模量隨著纖維的加入先增大后減小，在纖維摻量為0.2%時(shí)取得最大值。此種聚酯纖維改善瀝青混凝土蠕變性能的合理摻量約為0.2%。

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