凍融作用下玄武巖纖維瀝青混合料高溫壓縮斷裂過程聲學(xué)特性研究

作者簡(jiǎn)介：

韋仕毅（1988— ），工程師，主要從事公路橋梁工程建設(shè)管理以及公路養(yǎng)護(hù)管理工作。

摘要：文章通過將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于瀝青混合料內(nèi)部損傷表征，采用高溫單軸壓縮試驗(yàn)來評(píng)價(jià)玄武巖纖維瀝青混合料的高溫抗壓性能，并結(jié)合聲學(xué)特性參數(shù)對(duì)凍融循環(huán)處理后的玄武巖纖維瀝青混合料試件斷裂特征進(jìn)行識(shí)別分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)能夠很好地反映瀝青混合料試件在高溫壓縮過程中的損傷斷裂特征，并且可根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的變化將瀝青混合料試件的壓縮破壞過程分為三個(gè)階段。此外，基于聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)強(qiáng)度可以看出凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度具有不利影響。

關(guān)鍵詞：道路工程;瀝青混合料;凍融損傷;聲發(fā)射技術(shù);高溫壓縮破壞

中國(guó)分類號(hào)：U416.03A130445

0 引言

由于具有行車舒適、噪音低、施工維養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，瀝青路面被廣泛應(yīng)用于我國(guó)高速公路建設(shè)中[1-2]。在季凍區(qū)，瀝青路面長(zhǎng)期處于反復(fù)凍融循環(huán)狀態(tài)，由于水分和溫度的耦合作用，瀝青路面內(nèi)部不斷積累損傷，從而形成路面凍融損傷。目前，玄武巖纖維已逐漸用于瀝青路面，以改善瀝青路面的路用性能，提高瀝青路面的耐久性及抗凍融性能[3-4]。Wang等基于針入度、延度以及軟化點(diǎn)試驗(yàn)，從玄武巖纖維摻量、纖維長(zhǎng)度等方面對(duì)玄武巖纖維改性瀝青膠漿進(jìn)行研究，分析了纖維參數(shù)對(duì)改性瀝青膠漿的影響[3]。Qin等研究了不同玄武巖纖維長(zhǎng)度及摻量對(duì)瀝青膠漿的影響，分析比較了不同種類纖維改性瀝青的吸附性、剪切性能、抗裂性及高溫流變性能，同時(shí)借助掃描電鏡研究玄武巖纖維的微觀結(jié)構(gòu)以分析其增強(qiáng)機(jī)理[5]。

研究人員也已針對(duì)瀝青混合料的凍融損傷開展了許多工作并對(duì)比分析瀝青路面凍融損傷特征[6-8]。王嵐等進(jìn)行了凍融循環(huán)作用下瀝青混合料的半圓彎拉試驗(yàn)，并采用斷裂力學(xué)理論分析探討了瀝青類型、凍融次數(shù)等與其抗裂性能之間的關(guān)系[9]。聲發(fā)射技術(shù)是一種材料或結(jié)構(gòu)以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象[10-11]。Jiao等利用聲發(fā)射技術(shù)分別研究了多孔瀝青混合料在壓縮和劈裂荷載作用下的損傷斷裂特性[12]。本研究采用高溫單軸壓縮試驗(yàn)并結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)，研究了凍融循環(huán)作用對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料高溫抗壓性能和斷裂損傷的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究使用的瀝青為中海瀝青有限公司（中國(guó)營(yíng)口）生產(chǎn)的SBS改性瀝青，粗骨料和細(xì)骨料均為

產(chǎn)自吉林省九臺(tái)市的破碎玄武巖，[KG（0.1mm]使用的填料是來自吉林省四平市石灰石礦粉。此外，采用新型環(huán)保玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料進(jìn)行纖維增韌。上述材料的基本技術(shù)指標(biāo)詳見已有文獻(xiàn)[13]，且符合相應(yīng)規(guī)范要求。

1.2 玄武巖纖維瀝青混合料SMA-13

瀝青混合料SMA是我國(guó)常用的瀝青混合料類型，廣泛應(yīng)用于高速公路。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），本研究選擇了SMA-13的中值級(jí)配，相應(yīng)的級(jí)配曲線如圖1所示。玄武巖纖維瀝青混合料SMA-13的設(shè)計(jì)和制備采用了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法，制備步驟可詳見已有研究[14]。瀝青混合料油石比為5.7%，玄武巖纖維摻量為SBS改性瀝青質(zhì)量的0.34%。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

基于已有研究文獻(xiàn)[15]，針對(duì)夏熱冬寒的季凍區(qū)氣候特點(diǎn)，分別對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料試件進(jìn)行0、5、10、15和20次凍融循環(huán)試驗(yàn)。在凍融循環(huán)前，瀝青混合料試件用塑料袋單獨(dú)密封，向每個(gè)塑料袋內(nèi)中倒入15 ml清水，然后立即將試樣放入冰箱。每次凍融循環(huán)包括將瀝青混合料試件在-18 ℃的冰箱中冷凍16 h，然后在60 ℃的水浴中解凍8 h。

1.3.2 單軸壓縮與聲發(fā)射試驗(yàn)

單軸壓縮試驗(yàn)是測(cè)定瀝青混合料抗壓強(qiáng)度的常用試驗(yàn)方法。本研究采用50 ℃單軸壓縮試驗(yàn)來測(cè)試玄武巖纖維瀝青混合料的抗壓性能。為了進(jìn)一步研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料試件的影響，在高溫單軸壓縮試驗(yàn)過程中結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)，測(cè)試了相應(yīng)的聲發(fā)射參數(shù)。力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)包括加載控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、溫控箱等。聲發(fā)射系統(tǒng)由聲發(fā)射傳感器、前置放大器及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成。試驗(yàn)前，玄武巖纖維瀝青混合料試件在50 ℃的溫控箱中放置4 h以確保內(nèi)部溫度均勻，壓縮過程采用位移控制。試驗(yàn)加載速率設(shè)定為1 mm/min。

2 凍融作用下玄武巖纖維瀝青混合料壓縮斷裂過程中的聲發(fā)射參數(shù)分析

季凍區(qū)內(nèi)影響瀝青路面性能的因素很多，如交通荷載、溫度等。對(duì)于每個(gè)凍融循環(huán)組，分別制備兩組重復(fù)試件，并進(jìn)行0～20次凍融循環(huán)處理。為了表征瀝青混合料的高溫性能，采用單軸壓縮試驗(yàn)來測(cè)定玄武巖纖維瀝青混合料在不同凍融循環(huán)下的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，將聲發(fā)射技術(shù)作為一種損傷檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于瀝青混合料的壓縮斷裂分析中。

2.1 玄武巖纖維瀝青混合料壓縮斷裂過程中的聲發(fā)射信號(hào)幅值分析

為了分析凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料壓縮斷裂損傷的影響，測(cè)試了不同凍融循環(huán)次數(shù)下玄武巖纖維瀝青混合料在高溫單軸壓縮過程中聲發(fā)射信號(hào)幅值和載荷水平隨時(shí)間的變化關(guān)系，其中載荷水平為所施加載荷和失效載荷之比。如下頁圖2（a）所示，在0次凍融循環(huán)情況下，通過結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)幅值的強(qiáng)度和載荷水平，單軸壓縮加載過程和聲發(fā)射信號(hào)幅值可以分為三個(gè)階段：

（1）在第一階段，當(dāng)載荷水平<0.1時(shí)，在單軸壓縮試驗(yàn)期間產(chǎn)生較低的從40～50 dB范圍內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)振幅值。第一階段較低的聲發(fā)射信號(hào)幅值可認(rèn)為是由于加載過程中的噪聲而產(chǎn)生的信號(hào)，在第一階段單軸壓縮載荷作用下，初步形成若干微裂紋。

（2）進(jìn)入第二階段后，聲發(fā)射信號(hào)幅值開始出現(xiàn)顯著增加，當(dāng)載荷水平在0.1～0.9之間時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)幅值范圍在50～70 dB，聲發(fā)射信號(hào)幅值隨著載荷水平的增加而增加。聲發(fā)射信號(hào)幅值的增加表明裂紋主要是在第二階段形成的，且裂紋呈逐步穩(wěn)定發(fā)展趨勢(shì)。

（3）隨著壓縮載荷增大，聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)入第三階段。在此階段，聲發(fā)射信號(hào)幅值出現(xiàn)最高值，這意味著瀝青混合料試件中的裂紋迅速發(fā)展;隨后，聲發(fā)射信號(hào)幅值在達(dá)到最大值后呈緩慢下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楹暧^裂紋是在微裂紋損傷累積到一定程度時(shí)產(chǎn)生，最終使瀝青混合料試件斷裂破壞。

由圖2（b）～（e）可以看出，在不同凍融循環(huán)下，聲發(fā)射信號(hào)幅值和載荷水平都有類似的變化。然而，通過比較不同凍融循環(huán)的聲發(fā)射信號(hào)幅值，可以看出聲發(fā)射信號(hào)幅值的密度逐漸變小。同時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，單軸壓縮試驗(yàn)的加載時(shí)間也有一定程度的變化：第一階段逐漸縮短，第三階段逐漸增加，第二階段發(fā)生的起始時(shí)刻逐漸向前推進(jìn)。這種變化意味著經(jīng)過更多凍融循環(huán)試驗(yàn)的瀝青混合料在較低的載荷水平下便會(huì)開始出現(xiàn)初步損壞。由此可見，凍融循環(huán)對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度具有不利影響，使得瀝青混合料在壓縮荷載下更容易發(fā)生早期破壞。

2.2 玄武巖纖維瀝青混合料壓縮斷裂過程中的聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)分析

本研究還測(cè)試了不同凍融循環(huán)下玄武巖纖維瀝青混合料高溫單軸壓縮過程中聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)和載荷水平隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果繪制如圖3所示。通過結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)和載荷水平，高溫單軸壓縮加載過程和聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)可以分為三個(gè)階段：

（1）在第一階段，單軸壓縮加載水平<0.1時(shí)，除了加載時(shí)由于噪聲而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)外，幾乎沒有產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)。

（2）進(jìn)入第二階段后，聲發(fā)射信號(hào)開始活躍起來，當(dāng)載荷水平在0.1～0.9時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)開始顯著增加。聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)值隨著載荷水平的增加而增加，這意味著裂紋在此階段逐漸發(fā)生并初步形成。然后，裂紋在持續(xù)的單軸壓縮載荷下也發(fā)展為穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展。

（3）隨著壓縮載荷的增大，聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)入第三階段。在這一階段，聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)最高值，這意味著瀝青混合料試件內(nèi)的裂紋迅速發(fā)展，試件內(nèi)部出現(xiàn)明顯裂紋，最終失去承載力并導(dǎo)致玄武巖纖維瀝青混合料試件發(fā)生斷裂破壞。

至于凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料在單軸壓縮載荷下聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)的影響，結(jié)合圖2與圖3可以發(fā)現(xiàn)，在不同凍融循環(huán)中，隨著載荷水平變化，瀝青混合料的聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)與聲發(fā)射信號(hào)幅值表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)。然而，通過比較不同凍融循環(huán)作用下玄武巖纖維瀝青混合料的聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)，可以看出，隨著凍融循環(huán)的增加，聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)的密度逐漸變小，同時(shí)單軸壓縮試驗(yàn)的加載時(shí)間也在一定程度上有所縮短，其中第一階段逐漸縮短，第三階段逐漸增加，而第二階段發(fā)生的起始時(shí)刻逐漸向前推進(jìn)。這說明凍融循環(huán)加速了瀝青混合料試件的破壞，即凍融循環(huán)對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度有明顯的不利影響。

3 結(jié)語

本研究采用高溫單軸壓縮試驗(yàn)并結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)，研究了凍融循環(huán)對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料高溫抗壓性能和斷裂損傷的影響，可以得出如下結(jié)論：

（1）聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)能夠很好地反映瀝青混合料試件在高溫壓縮過程中的損傷斷裂特征。

（2）根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的變化，瀝青混合料試件在壓縮過程中的斷裂損傷可分為三個(gè)階段。聲發(fā)射信號(hào)可反映瀝青混合料試件在壓縮斷裂過程中內(nèi)部損傷的形成、發(fā)展和破壞。

（3）瀝青混合料聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)的強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減弱，這表明凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度具有不利影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖慶一，郝培文，徐鷗明，等.瀝青與礦料粘附性的測(cè)定方法[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，27（1）：19-23.

[2]郭乃勝，趙穎華，譚憶秋，等.考慮孔隙水壓力不利影響的瀝青路面結(jié)構(gòu)組合分析[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（2）：131-135.

[3]Wang W.S.，Cheng Y.C.，Tan G.J.Design Optimization of SBSModified Asphalt Mixture Reinforced with EcoFriendly Basalt Fiber Based on Response Surface Methodology[J].Materials，2018，11（8）：1 311.

[4]Cheng Y.C.，Wang W.S.，Gong Y.F.，et al.Comparative Study on the Damage Characteristics of Asphalt Mixtures Reinforced with an EcoFriendly Basalt Fiber under Freezethaw Cycles[J].Materials，2018，11（12）：2 488.

[5]Qin X.，Shen A.Q.，Guo Y.C.，et al.Characterization of asphalt mastics reinforced with basalt fibers[J].Construction and Building Materials，2018（159）：508-516.

[6]程永春，余 地，譚國(guó)金，等.玄武巖纖維瀝青混合料的凍融損傷演化規(guī)律[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，40（3）：518-524.

[7]李曉民，豆瑩瑩，徐慧寧，等.凍融循環(huán)作用下瀝青膠漿交互能力及流變性能的研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2019，22（5）：831-838.

[8]Guo Q.L.，Li G.Y.，Gao Y.，et al.Experimental investigation on bonding property of asphaltaggregate interface under the actions of salt immersion and freezethaw cycles[J].Construction and Building Materials，2019，206：590-599.

[9]王 嵐，弓寧寧，邢永明.鹽凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料性能的影響因素研究[J].功能材料，2016（4）：4 088-4 093.

[10]Jiao Y.B.，Liu S.Q.，F(xiàn)u L.X.，et al.Fracture Monitoring of SBS and Crumb Rubber Modified Porous Asphalt Mixtures under Compression and Splitting Testing Using Acoustic Emission Technique[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2019，31（6）：04019063.

[11]Qiu X.，Xu J.X.，Xiao S.L.，et al.Acoustic emission parameters and waveforms characteristics of fracture failure process of asphalt mixtures[J].Constr Build Mater，2019（215）：135-147.

[12]Jiao Y.B.，F(xiàn)u L.X.，Shan W.C.，et al.Damage fracture characterization of pervious asphalt considering temperature effect based on acoustic emission parameters[J].Engineering Fracture Mechanics，2019（210）：147-159.

[13]Liang C.Y.，Ma J.C.，Zhou P.L.，et al.Fracture Damage Properties of SBSModified Asphalt Mixtures Reinforced with Basalt Fiber after FreezeThaw Cycles Using the Acoustic Emission Approach[J].Applied Sciences，2020，10（9）：3 301.

[14]Wang W.S.，Cheng Y.C.，Zhou P.L.，et al.Performance Evaluation of StyreneButadieneStyreneModified Stone Mastic Asphalt with Basalt Fiber Using Different CoMPaction Methods[J].Polymers，2019，11（6）：1 006.

[15]Wang W.S.，Cheng Y.C.，Ma G.R.，et al.Further Investigation on Damage Model of EcoFriendly Basalt Fiber Modified Asphalt Mixture under FreezeThaw Cycles[J].Applied Sciences，2019，9（1）：60.

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