短切柔性纤维对密实型沥青混凝土断裂特性的影响

2020-06-14郭庆林王红雨杨邯超

科学技术与工程 2020年13期

郭庆林, 王红雨, 高颖, 杨邯超

(河北工程大学土木工程学院，邯郸 056038)

沥青混凝土路面以其优越的路用性能得到广泛应用，而路面开裂一直是沥青路面最大的危害之一。中外学者针对此问题进行了许多研究，其中通过掺入纤维来增加沥青混凝土抗裂性已得到道路工程界的广泛认可。纤维的首次引入是在20世纪60年代，加拿大多伦多大学Davis提出在沥青混合料中掺入纤维材料以提高沥青路面的抗反射裂缝性能。中国对纤维改性沥青混合料的研究较晚，到20世纪90年代中期，随着沥青混合料路面结构的引入和纤维添加剂的出现，才逐渐走入人们的视线[1]。近年来，随着试验设备与方法的不断完善更新，先进的试验测试方法逐渐被用以研究纤维的增强效果。文月皎[2]选取玄武岩纤维、聚酯纤维和木质素纤维进行对比分析，考查三种纤维的力学性能、热稳定性、吸湿性以及吸油性，结果表明玄武岩纤维的吸湿率最小，力学性能和热稳定性优于聚酯纤维和木质素纤维。同时，玄武岩纤维的加入可以提高沥青混合料的低温抗裂性能，玄武岩纤维的最佳掺量为0.4%。Cuo等[3]证明玻璃纤维解决了硅藻土改性沥青混合料在低温变形性能方面的不足。高丹盈等[4]通过外掺聚酯纤维和玄武岩纤维对沥青混合料进行改性处理，研究认为温度是影响沥青混凝土劈裂性能的主要外部因素；纤维长径比和掺量对间接拉伸性能的影响与温度有关。张文浩等[5]基于半圆抗拉试验，采用抗拉强度、断裂能指标评价路面各结构层的抗裂性能，结果表明半圆弯曲试验可有效评价混合料的抗裂性能，同时混合料抗裂性能受沥青胶结料性能和交通荷载的影响较大。刘宇等[6]采用半圆抗拉和间接拉伸两种试验方法对密实型沥青混合料的抗裂效果进行了系统研究，结果表明半圆抗拉试验更适合于评价沥青混合料的抗拉性能。周若来等[7]为对SMA-16和AC-16两种混合料进行了间接拉伸、小梁弯曲和开口半圆抗拉试验，对比了不同试验方法的稳定性和混合料抗裂性能差异，结果表明极限破坏应变、应变能和断裂能指标更适用于评价沥青混合料的抗裂性能。

近年来，数字图像散斑技术作为一种新型的光学无损测量方法，逐渐被道路工程界用来探究沥青混合料的受力变形机理。晏永等[8]通过小梁三点弯曲实验，应用数字图像相关方法来研究钢桥面铺装中沥青混合料断裂特性及裂纹扩展规律。Tan等[9]采用数字图像散斑技术对间接拉伸过程中的变形特性进行了测试，发现该技术对于准确研究沥青混合料的断裂特性非常有用。邢超[10]采用数字散斑方法分析间接拉伸、三点弯曲试验、单边开口梁弯曲应变场，研究了不同破坏模式下应变场变化规律。王岚等[11]对盐溶液和水溶液冻融循环后沥青混合料进行了半圆抗拉试验，结论表明数字图像散斑技术的分析结果与断裂韧性分析结果一致，采用数字图像散斑技术评价沥青混合料的抗裂性能是可行的。

从以上分析可以看出，纤维对增强沥青混合料的抗裂性具有至关重要的作用，而以往的研究主要集中在纤维改性沥青混合料整体力学性能方面的研究，对纤维的阻裂机理缺乏系统认识。与此同时，数字图像散斑技术的推广应用为沥青混合料抗裂性的研究提供了有效的测试手段。因此，选取常用的玻璃纤维和玄武岩纤维为研究对象，进行半圆抗拉试验。进而分析不同纤维对沥青混合料的改性加筋效果。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料性能指标

试验所用沥青为AH-70#道路石油沥青，其基本性能如表1所示。所选玻璃纤维及玄武岩纤维的物理性能如表2所示，纤维掺量为0.5%。混合料级配为AC-13型密实级配，级配数据如图1所示。根据马歇尔试验确定最佳油石比为4.6%。

表1 AH-70#沥青技术性能

表2 纤维物理性能

图1 试验级配曲线

1.2 试验测试方法

采用重型击实法在实验室制备Ф152.4 mm×95.3 mm大型马歇尔试件，试件空隙率为4.2%，表观密度为2.424 g/cm3，并沿中心轴切割成1/4半圆试件，半圆试件厚度为(42±3)mm，为较好地诱导裂缝开裂路径，底边中点预切口深度为1 cm。试验过程如图2所示，试件底部由两根圆辊支撑，支撑间距为100 mm。由万能试验机采取控制加载，以1 mm/min的速率施加荷载，试验温度为20 ℃，同时将工业相机连接至电脑，以2 s/flag的采集频率采集加载过程的图像，后期对采集的数字图像进行数字图像相关分析，获得全场实时应变及位移，采用开源数字图像相关分析软件Ncorr进行散斑图像相关分析[12]。

图2 半圆抗拉试验

2 试验结果与分析

2.1 纤维对抗拉强度、应变及模量的影响

最大抗拉强度及最大抗拉应变是半圆抗拉试验的重要指标，Huang等[13]对支撑间距为(2/3)D的半圆抗拉试件做出了研究，表明应使用式(1)来计算最大抗拉强度：

(1)

式(1)中：σt为试件底部最大抗拉强度，MPa；P为试件荷载，N；D为试件的直径，mm；t为试件厚度，mm。考虑到裂缝引起的应力集中效应，采用有限元方法对带裂缝半圆抗拉试件最大抗拉应力进行了计算分析，并对式(1)进行了修正，得到式(2)：

(2)

采用数字图像散斑技术对裂缝尖端附近50 mm范围内的拉伸应变进行了统计分析，如图3所示。

图3 抗拉应变及裂缝缝嘴张开位移采集示意图

基于最大抗拉应力和抗拉应变，分析混合料的弹性模量变化情况，模量按照式(3)计算。

(3)

式(3)中：εl=50为试件裂隙尖端附近50 mm最大抗拉应变；E为试件的弹性模量，MPa。

由式(2)计算得到的不同纤维沥青混凝土的抗拉强度如图4所示。由图4可以看出，加入玻璃纤维之后，试件的抗拉强度均有明显的提高，且提高幅度随着纤维长度的增加而增加。而玄武岩纤维只有当长度为6 mm时，试件的抗拉强度有小幅度的增加，其他长度均会降低试件的抗拉强度。其中，掺入玻璃纤维12 mm的沥青混凝土抗拉强度最高，与基质沥青混凝土相比，约提高了33%，掺入玄武岩纤维6 mm的沥青混凝土抗拉强度约提高了15%。而对于12、20 mm的玄武岩纤维改性沥青混凝土，其强度约降低了20%。抗拉应变变化规律如图5所示。

图4 不同纤维沥青混凝土的抗拉强度

图5 不同纤维沥青混凝土的极限拉伸应变

由图5可以看出，与基质沥青混凝土相比，加纤维的试件抗拉应变均有不同程度的提高，说明短切纤维有效提高了沥青混凝土的破坏延性，从而达到抑制裂缝开裂的目的。其中，抗拉应变提高幅度最大的为玄武岩纤维12 mm，其次是玻璃纤维6 mm，二者均有一个较为明显的增加，对于12 mm玻璃纤维及6 mm玄武岩纤维，破坏应变虽略有提高，但基本无变化。由此可见，从提高沥青混凝土延性角度出发，12 mm 玄武岩纤维可以作为最佳选择。如果以破坏强度及破坏应变综合考虑，则6 mm玻璃纤维为最优选择，这样既可以保证改性后沥青混凝土的强度又可显著提高其延性。模量变化规律如图6所示。

图6 不同纤维沥青混凝土的模量

图6显示了不同纤维改性沥青混凝土的模量差异，由图6可以看出，加入纤维后沥青混凝土的模量发生了波动，对比不同长度的纤维可以看出，纤维长度越长，波动程度越大。为保证改性后沥青混凝土材料性质的均匀性，建议采用长度为6 mm的纤维对沥青混凝土进行改性，不仅能保证改性后沥青混合料强度和延性，同时还能控制沥青混合料因拌和摊铺导致的离散性。

2.2 裂缝开展规律分析

裂缝缝嘴位置张开位移(CMOD)，可以衡量裂缝张开程度。采用数字图像散斑技术对CMOD进行实时测试，结果如图7所示。

图7 荷载-CMOD关系曲线

从图7可以看出，当荷载达到峰值时，纤维沥青混凝土的CMOD明显高于基质沥青混凝土的，同时从峰后荷载-CMOD曲线可以看出，纤维沥青混凝土具有更高的峰后持荷能力，说明纤维有效提高了沥青混凝土的延性及峰后承载能力，纤维有效抑制了承载过程中裂缝的发展，起到了应有的阻裂作用。对比不同纤维的荷载-CMOD曲线可以发现，玻纤改性沥青混凝土不但提高了弯曲破坏荷载同时也具有更高的峰后承载能力。玄武岩纤维改性沥青混凝土的极限承载力随纤维长度的增长而降低，但峰后承载能力却明显高于基质沥青混凝土。由此不难看出，纤维不但可以提高沥青混凝土的延性，而且可以有效提高沥青混凝土的峰后承载能力，或者说在沥青混凝土开裂后仍能保持较高的承载力。

2.3 临界断裂能及断裂韧性分析

为了从能量的角度分析纤维对沥青混凝土的加筋效果，以临界断裂能作为评价指标进行分析。临界断裂能按照式(4)计算得到。

(4)

式(4)中：GF为临界断裂能，J/m2；W为荷载位移曲线下的面积，J；B为试件厚度，mm；R为试件半径，mm；a为预切口长度，mm；A为断裂面积，mm2。

实验证明，对同一材料的不同构件，若以同一种开裂形式加载，且处于同一种应力状态下，那么它们断裂时的应力强度因子是相同的，这一值是一种临界值，这一处于平面应变状态下的临界值被称为KIC。断裂准则可以表示为：当裂纹尖端应力强度因子达到某一临界值KIC时，裂纹发生失稳扩展，临界值KIC称为材料的断裂韧性[14-15]。它表征材料阻止裂纹失稳扩展的能力，是材料的一种韧性指标，是反应材料性能的一个参量。

(5)

(6)

式中：KIC为试件的断裂韧性，N/mm1.5；σmax为试件最大抗拉强度，N/mm2；w为试件宽度，mm。

临界断裂能变化规律如图8所示，断裂韧性变化规律如图9所示。

图8 不同纤维沥青混凝土的临界断裂能

由图8可以看出，加入纤维之后，所有试件的临界断裂能都有不同程度的提高，其中玻璃纤维改性沥青混凝土的临界断裂能最高，提高了约50%。玄武岩纤维改性沥青混凝土的临界断裂能虽有提高，但提高幅度有限，仅为2%～20%。说明纤维种类对改性后沥青混凝土的断裂能量具有显著影响。从断裂能量角度考量，表明玻璃纤维的改性效果要优于玄武岩纤维，同时还可以看出玻璃纤维的长度对临界断裂能的影响不明显。

由图9可以看出，玻璃纤维改性沥青混凝土的断裂韧性有明显提高，玄武岩纤维在长度较短时(6 mm)对提高沥青混凝土的断裂韧性具有较好的效果，当长度大于12 mm后会降低改性后沥青混凝土的断裂韧性。说明玻璃纤维改性沥青混凝土发生裂缝失稳扩展的临界值更高，具有更强的抗裂能力。从断裂韧性角度来看，短切柔性纤维的最大长度不宜超过12 mm。