纤维加强沥青混凝土低温抗裂性能试验研究及数值模拟

张英富， 廖碧海， 杨 涛

(1.湖北富昊工程项目管理咨询有限公司， 湖北 武汉 430000；2.华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074；3.中国市政工程中南设计研究总院厦门分院， 福建 厦门 361006)

沥青混凝土的抗裂性是影响沥青路面路用性能和使用寿命的关键影响因素之一。国内外学者对其进行了广泛的研究，提出了各种提高沥青混凝土抗裂性的方法。主要有加铺应力-应变吸收膜、土工格栅、土工织物；改进沥青混合料设计，采用“合金化”方法；在面层与基层之间增加级配碎石层；基于柔性基层的设计；基层预切缝以及在沥青混合料中添加纤维材料。其中，在沥青混合料中掺加纤维材料目前被认为是改进沥青路面抗裂性比较经济有效的方法。Lee[1]，黄彭[2]，Freeman[3]，Moussa[4]，陈华鑫[5]等陆续对尼纶纤维，木质素纤维，聚酯纤维，聚乙烯纤维，聚酰胺纤维沥青混凝土路面和各种纤维的微观性质做了深入的研究，发现聚酯纤维具有最佳的效果。

本文针对实际工程项目的气候环境条件，对不同纤维掺和量的沥青混凝土试件进行低温抗裂性能试验，并根据试验所得材料属性进行了数值模拟，得到了一些有益于工程实践的建议和结论。

1 试验方案

本试验的目的在于模拟冬季低温条件下，进行热拌沥青混凝土在规定温度下的标准小梁弯曲试验。通过各项指标，评价纤维沥青混凝土的低温抗裂性能，从而确定合适的提高低温抗裂的措施。基于当地的气候特点，试验温度选择-10℃，在试验操作过程中制作了低温箱，并通过干冰降温实现，如图1所示。

图1 试验加载

为了对比影响低温抗裂性的各种因素，得到最佳提高低温抗裂性的措施，本试验采用同一种沥青(道路石油沥青90#)，设置以下对比组：

第一组：面层结构50 mm+25 mm，添加0.26%木质素纤维；

第二组：面层结构50 mm+25 mm，不掺加任何纤维；

第三组：只减薄面层厚度，即面层结构50 mm+20 mm，添加0.26%木质素纤维；

第四组：面层结构50 mm+25 mm，但只在下面层添加0.3%木质素纤维；

第五组：面层结构50 mm+25 mm，但改为添加0.3%聚丙烯纤维。

用低温弯曲试验来评价沥青混合料的低温抗裂性，评价指标为破坏应变、弯拉强度和劲度模量，试验步骤见《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[6]。

由最大破坏荷载PB和最大破坏荷载对应的挠度d(mm)可得到抗弯拉强度RB(MPa)，破坏时梁底最大弯拉应变εB和破坏时弯曲劲度模量SB(MPa)：

式中，RB、SB分别为试件破坏时的抗弯拉强度、弯曲劲度模量，MPa；εB为试件破坏时的最大弯拉应变；b、h、L分别为试件的宽度、高度、跨径，mm；PB为试件破坏时的最大荷载，N；d为试件破坏时的跨中挠度，mm。

沥青混合料低温弯曲试验，采用轮碾法成型的板切割而成的小梁试件，在-10℃试验温度下进行单点加载直至破坏，加载速率50 mm/min。试验仪器采用材料测试系统MTS-80，整个试验过程可通过程序进行控制并由计算机自动采集试验数据。

图2为试件破坏后的裂缝形态，裂纹的起始端点基本上在跨中底部，当载荷加载到超过极限载荷时，裂纹向上扩展，有平直的，也有不规则的。

图2 试件破坏后的裂纹形态

2 试验数据结果

通过试验可得各组试件的荷载-挠度曲线，如图3所示。

(a) 第一组

(b) 第二组

(c) 第三组

(d) 第四组

(e) 第五组图3 各组试件的荷载-挠度曲线

弯拉强度越高，材料在低温下抵抗破坏的能力越强，沥青混合料的低温抗裂性能就越好。由图4可以看出，添加木质素纤维能显著提高其弯拉强度，即使仅在下面层掺加木质素纤维，效果也很明显，而将面层的厚度减薄严重降低了其弯拉强度。说明在沥青混合料中添加木质素纤维是一种很好的提高低温抗裂性能的措施，而减薄面层厚度会产生严重的不利影响，所以实际施工时不宜随意减薄面层厚度。

图4 各组试件的弯拉强度

综合考虑上面的利用各种不同的指标分析评价沥青混合料的低温抗裂性能的结果，可以看出沥青面层的厚度对其低温抗裂性能有显著的影响，而在沥青面层中掺加木质素纤维能明显改善其低温抗裂性能。

3 数值模拟

利用试验得出的载荷-位移曲线，换算为应力-应变关系，利用多线拟合应力-应变曲线，将沥青材料的本构关系导入ANSYS中，分析各种情况的动力响应特性。

图5 网格划分示意

图6 裂纹尖端网格划分

为了兼顾计算机计算时间因素，采用1/2对称模型进行计算，只在裂纹附近采取网格细化，土层采取级差网格划分，以获得较好的计算精度，又节省了计算机计算时间。道路体系总体网格划分见图5，裂纹尖端附近网格划分见图6，裂纹尖端采用奇异单元。

图7中显示了采用试验得出的本构关系，通过数值模拟得出的动态应力强度因子时间历程曲线，可以看出，在不添加任何纤维情况下所对应的动态应力强度因子(DSIF)峰值最大，而添加了纤维后，DSIF峰值会有明显的降低。

图7 动态应力强度因子时间历程曲线

图8 掺加不同纤维时动态应力强度因子时间历程曲线

图8对比了添加木质素纤维和聚丙烯纤维后的动态应力强度因子变化情况。从图中可以看出，无论添加了哪种纤维，DSIF峰值都有明显的降低，而添加聚丙烯纤维所对应的DSIF峰值比添加木质素纤维所对应的DSIF峰值还要低；从数据上看，添加聚丙烯纤维后，DSIF峰值从0.43 MPa·m1/2降到0.099 MPa·m1/2，降低了333.2%，添加木质素纤维后，DSIF峰值从0.43 MPa·m1/2降到0.19 MPa·m1/2，降低了128.6%，换言之，添加聚丙烯纤维具有更好的阻裂效果。

4 结 论

(1) 在沥青混凝土中掺加纤维将大大提高其低温弯拉强度，即使是仅在下面层掺加纤维，效果也很明显；

(2) 减薄沥青混凝土的面层厚度将严重降低其弯拉强度，也就是说沥青混合料面层的厚度对其低温抗裂性能是一个非常重要的影响因素。

(3) 在沥青混凝土中掺加纤维后，动态应力强度因子 (DSIF) 峰值会有明显的降低。说明纤维材料能够显著的提高沥青路面的低温抗裂性；

(4)聚丙烯纤维的阻裂效果要好于木质素纤维，但是从经济角度考虑，对于大面积使用聚酯纤维沥青混凝土路面应考虑其经济性。

[1] Lee S J, Rust J P, Hamouda H, et al. Fatigue cracking resistance of fiber-reinforced asphalt concrete[J]. Texile Research Journal, 2005, 75(2): 123-128.

[2] 黄 彭. 木质素纤维在沥青混合料中的应用研究[J]. 石油沥青, 1998, 12(4): 9-15.

[3] Freeman R B, Burati J L, Amirkhanian S N, et al. Polyester fibers in asphalt paving mixtures[J]. Association Asphalt Paving Technology, 1989, 58(6): 387-409.

[4] Moussa G K. Effect of addition of short fibers of poly-acrylic and polyamide to asphalt mixtures[J]. AEJ-Alexandria Eng Journal, 2003, 42(3): 329-336.

[5] 陈华鑫, 张争奇, 胡长顺. 纤维沥青混合料的低温抗裂性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2004, 32(4): 82-86.

[6] JTJ 052-2000, 公路工程沥青及沥青混合料试验规范[S].