基于多指標(biāo)的纖維增強瀝青混凝土路用性能評價

摘要：為研究玄武巖纖維對瀝青混凝土路用性能的影響，文章通過劈裂強度試驗確定纖維的最佳摻量，測試不同溫度下纖維的加入對瀝青混凝土劈裂抗拉強度、單軸動態(tài)模量以及浸水馬歇爾穩(wěn)定度的影響，利用DIC測試系統(tǒng)對SCB半圓試件加載過程進行全時域監(jiān)測。試驗結(jié)果表明：玄武巖纖維的摻入能提升瀝青混合料的劈裂抗拉強度以及浸水馬歇爾穩(wěn)定度，并能顯著增強低溫條件下瀝青混合料的斷裂功，但對于單軸動態(tài)模量以及高溫條件下瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度影響不大。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；瀝青混凝土；路用性能；阻裂效果

中圖分類號：U416.217" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.014

文章編號：1673-4874（2024）11-0044-03

引言

我國道路普遍采用瀝青路面。瀝青作為一種膠結(jié)料，其性能隨著溫度的改變變化很大，在嚴(yán)寒環(huán)境下瀝青變冷脆，道路的低溫抗裂性受到影響［1-2］。

為了提升路面的低溫抗裂性能，目前普遍采用的方法為使用改性瀝青。改性瀝青相對于基質(zhì)瀝青低溫抗裂性能有很大提高，但是在自然環(huán)境下，改性劑會快速降解，導(dǎo)致瀝青路面后期服役性能衰減，對瀝青路面的長期的低溫抗裂性能提升不大［3］。

纖維作為一種復(fù)合材料，被廣泛用于土木工程領(lǐng)域［4］，發(fā)揮其橋接作用［5］，能提升基體材料的韌性、抗彎拉性能并延緩基體材料裂縫的發(fā)展［6］。目前國內(nèi)外學(xué)者針對纖維在瀝青混凝土中增韌阻裂的效果進行了研究評價［7］，但是都針對單一指標(biāo)，并且對加載全過程以及試件表面位移場研究較少，需要結(jié)合多指標(biāo)進行研究。

本文在瀝青混凝土中加入玄武巖纖維，對劈裂強度、單軸動態(tài)模量、浸水馬歇爾穩(wěn)定度以及半圓彎曲性能進行測試，并通過DIC技術(shù)對荷載作用下纖維瀝青混凝土試件進行了全時域監(jiān)測［8］，結(jié)合多指標(biāo)對纖維摻入瀝青混凝土性能的影響進行全面探究。

1原材料及試驗方案

1.1原材料

研究選用的原材料包括礦粉、70#基質(zhì)瀝青，購于德嘉道路材料；玄武巖集料，購于重慶頓吉礦產(chǎn)有限公司；玄武巖纖維，購于常州巨貿(mào)新材料科技有限公司。原材料基本性能如表1～4所示。

1.2試件成型

設(shè)計AC-20型級配，并添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的玄武巖纖維，室內(nèi)進行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件以及旋轉(zhuǎn)壓實試件成型。通過鉆芯取樣，得到高度為150 mm、直徑為10 mm的試件。利用切割機將旋轉(zhuǎn)壓實試件切割成厚度為5 mm的半圓試件，并設(shè)置深度為15 mm的預(yù)切縫。

2試驗方案

通過劈裂強度試驗比選出最佳纖維摻量，之后測試未加入纖維以及最佳纖維試件在-15 ℃、-5 ℃、5 ℃、15 ℃、25 ℃以及35 ℃下材料的劈裂強度、單軸動態(tài)模量，并進行浸水馬歇爾穩(wěn)定度測試，最后在不同溫度下進行SCB半圓試件彎曲試驗，利用DIC技術(shù)對加載過程進行全時域監(jiān)測。試件成型及技術(shù)路線如圖1所示。

2.1劈裂強度試驗

將試件放入夾具，完成變形測定裝置的安裝；加載速率設(shè)置為50 mm/min，加載后設(shè)備的傳感器將記錄荷載與位移，并計算出劈裂抗拉強度，得出最佳纖維摻量。

2.2單軸壓縮動態(tài)模量試驗

將兩組試件置于恒溫箱，分別設(shè)置溫度為-15 ℃、-5 ℃、5 ℃、15 ℃、25 ℃以及35 ℃進行恒溫處理后，利用UTM試驗機施加大小為0.7 MPa，頻率分別為0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、5.0 Hz、10.0 Hz、25.0 Hz的荷載。通過試驗，得到不同條件下試件的動態(tài)模量。

2.3馬歇爾穩(wěn)定度試驗

首先將試件置于恒溫水槽處理30 min，后將其安裝在加載設(shè)備上，設(shè)置加載速率為50 mm/min，通過加載得到穩(wěn)定度（MS）。對試件進行恒溫水浴處理48 h，按照同樣的步驟進行測試，得到試件浸水殘留穩(wěn)定度（MS1），穩(wěn)定度（MS）與浸水殘留穩(wěn)定度（MS1）之比為馬歇爾浸水穩(wěn)定度（MS0）。

2.4基于數(shù)字散斑技術(shù)的SCB半圓彎曲試驗

全場應(yīng)變測試系統(tǒng)能根據(jù)目標(biāo)點的追蹤對試件加載過程中表面的應(yīng)變場以及位移場進行無接觸測量，通過變形前后目標(biāo)點的坐標(biāo)對試件進行全時域監(jiān)測。目標(biāo)點變形前后計算公式如下：

Cf，g（P）=∑Mx=-M∑My=-M（f（x，y）-fm∑Mx=-M∑M′y=-M′［f（x，y）-fm］2-

（g（x′，y′）-gm∑M′x=y-M′∑y=-M′∑g（x′，y）-gm2（1）

fm=∑Mx=-M∑My=-M［f（x，y）］2（2M+1）2（2）

gm=∑Mx=-M∑My=-M［g（x′，y′）］2（2M+1）2（3）

式中：f（x，y）、g（x′，y′）——變形前后源點與目標(biāo)子區(qū)域在子區(qū)域中的坐標(biāo)灰度值；

fm、gm——變形圖像中的全局平均值；

M——局部位移場中每個數(shù)據(jù)點的局部坐標(biāo)；

C——相關(guān)系數(shù)，取值0～1。

將兩組試件置于UTM萬能試驗機進行三點彎曲加載，并利用DIC系統(tǒng)進行測試。設(shè)置加載速率為50 mm/min，根據(jù)試驗得到加載過程中荷載位移曲線，并計算出峰值荷載以及斷裂功，從而對纖維阻裂性能進行評價。

選取試件下邊緣8個目標(biāo)點，并進行編號，分別探究其水平位移以及豎向位移。試驗細(xì)節(jié)如圖2所示。

3結(jié)果與分析

3.1瀝青混凝土劈裂抗拉強度試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗，得到常溫下不同纖維摻量的瀝青混凝土試件劈裂強度測試結(jié)果，如表5所示。

由表5可知，纖維能提高瀝青混凝土的劈裂強度。當(dāng)纖維摻量在0～0.3%范圍內(nèi)增加時，劈裂強度上升。當(dāng)纖維摻量為0.4%時，劈裂強度變化較?。划?dāng)纖維摻量為0.5%時，瀝青混凝土的劈裂強度反而下降。

纖維能在混凝土中發(fā)揮橋接作用，從而提升瀝青混凝土的劈裂強度，纖維摻量過高容易產(chǎn)生結(jié)團和離析，導(dǎo)致劈裂強度下降。綜合比較，確定其最佳摻量為0.3%。

對兩組試件不同溫度劈裂強度進行測試，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，溫度為15 ℃時劈裂強度最高。溫度過高，瀝青流變性能增加；溫度過低，瀝青容易脆斷。另外可以看到，溫度范圍內(nèi)纖維的摻入均對瀝青混合料的劈裂強度有提升，對高溫和低溫提升效果更加顯著。

3.2瀝青混凝土單軸動態(tài)模量結(jié)果分析

根據(jù)試驗，得到兩組瀝青混凝土試件在不同溫度不同加載頻率下的單軸動態(tài)模量，結(jié)果如下頁圖4所示。

由圖4可知，瀝青混凝土的單軸動態(tài)模量隨著溫度的降低，加載頻率的增大而增大。分析認(rèn)為，溫度降低會使瀝青流動性減弱，材料抵抗外界變形的能力增強，彈性模量增大。由荷載產(chǎn)生的響應(yīng)位移滯后于荷載本身，加載時瀝青混凝土的響應(yīng)位移未完全到達(dá)最大位移處，反方向的荷載開始作用于試件抵消原有位移，因此荷載頻率越高響應(yīng)位移越小，彈性模量越大。對比兩組試件，玄武巖纖維的加入對單軸動態(tài)模量影響不大。

3.3瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗，得到兩組瀝青混凝土試件的MS、MS1與MS0，結(jié)果如下頁圖5所示。

由圖5可知，摻入纖維試件的馬歇爾穩(wěn)定度為12.5 kN，浸水馬歇爾穩(wěn)定度為10.2 kN，殘留穩(wěn)定度為83.1%；未摻入纖維試件的馬歇爾穩(wěn)定度為12.4 kN，浸水馬歇爾穩(wěn)定度為10.3 kN，殘留穩(wěn)定度為81.6%。兩組試件數(shù)據(jù)相差不大，可以認(rèn)為纖維的摻入對馬歇爾穩(wěn)定度的影響不大。

3.4瀝青混凝土半圓試件彎曲試驗結(jié)果分析

根據(jù)半圓試件加載過程中得到的荷載位移曲線，得到瀝青混凝土試件的峰值荷載以及斷裂功，結(jié)果如圖6所示。

將加載過程分為兩個階段：階段Ⅰ為裂縫萌生，荷載逐漸上升至峰值荷載；階段Ⅱ試件微觀裂縫逐漸集成貫通，生成宏觀裂縫并擴展，試件承載能力下降。由圖6可知，未添加玄武巖纖維試件的峰值荷載為1.01 kN，斷裂功為2.45 J；加入纖維試件的峰值荷載為1.07 kN，斷裂功為4.32 J。纖維的加入延緩了試件裂縫的萌生以及擴展，并提高了試件的承載能力。

3.5瀝青混凝土半圓試件水平方向位移分析

選取向左為正方向，對試件水平位移進行分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，階段Ⅰ試件表面幾乎不發(fā)生水平位移，達(dá)到峰值荷載后，裂縫擴展，預(yù)切縫左端點向左移動，右端點向右移動。對比發(fā)現(xiàn)，未添加玄武巖纖維的試件在荷載位移7.7 mm時最大橫向位移為5 mm左右，添加玄武巖纖維的試件為3.5 mm左右，可以認(rèn)為纖維的添加減少了水平方向位移。

3.6瀝青混凝土半圓試件豎直方向位移分析

選取向下為正方向，對試件水平位移進行分析，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，階段Ⅰ試件表面豎向位移幾乎不發(fā)生。階段Ⅱ試件L1、R4向上移動，其點向下移動。兩組試件在荷載位移7.7mm時最大豎向位移分別為4mm左右以及3.2mm左右，纖維的加入同樣延緩了試件表面豎向位移。

4結(jié)語

本文在瀝青混凝土中加入玄武巖纖維，并探究其對瀝青混凝土試件劈裂強度、動態(tài)模量、馬歇爾穩(wěn)定度的影響，并利用DIC技術(shù)對SCB半圓試件的加載進行了全時域監(jiān)測，結(jié)論如下：

（1）玄武巖纖維能提升瀝青混凝土的力學(xué)性能，對不同溫度下瀝青混凝土的劈裂強度提升較大，尤其對于低溫條件下瀝青混凝土的劈裂強度提升效果最明顯。

（2）通過試驗對瀝青混凝土的單軸動態(tài)模量以及馬歇爾穩(wěn)定度進行測試，證實了玄武巖纖維的加入對瀝青混凝土試件的單軸動態(tài)模量以及馬歇爾穩(wěn)定度影響不大。

（3）通過SCB半圓試件加載，結(jié)果表明纖維的摻入能提升試件的峰值荷載以及斷裂功，并通過DIC測試系統(tǒng)進行分析，證實了纖維的摻入能延緩裂縫的發(fā)展，減緩荷載作用下試件表面位移。

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作者簡介：磨鳳敏（1990—），工程師，主要從事道路工程建造研究方面的工作。

收稿日期：2024-05-18