纖維瀝青混凝土抗裂性能的研究

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［摘 要］

目前采用纖維瀝青混凝土來(lái)提高路面的抗裂能力越來(lái)越受重視。首先通過(guò)小梁彎曲試驗(yàn)，得到材料的彎拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變等基本的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。然后利用斷裂力學(xué)知識(shí)，通過(guò)帶切口小梁彎曲試驗(yàn)，引入J積分概念，得到材料的延性斷裂韌度JIC ，以此評(píng)價(jià)材料的抗裂性能。

［關(guān)鍵詞］

纖維瀝青混凝土 彎拉強(qiáng)度 J積分 斷裂韌度

一、前言

目前國(guó)內(nèi)的高等級(jí)道路大多數(shù)采用半剛性基層，因?yàn)榘雱傂圆牧嫌休^高的強(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了道路的使用壽命，但隨之卻在使用早期出現(xiàn)比柔性基層瀝青路面多而頻繁的裂縫，這些裂縫的出現(xiàn)，尤其是反射裂縫，會(huì)使水滲入路面路基結(jié)構(gòu)，減弱其整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還容易引起瀝青面層較快地出現(xiàn)龜裂等。因此，防止裂縫的相應(yīng)措施已成為道路工作者的關(guān)注重點(diǎn)，其中采用改善面層材料性能來(lái)提高路面抗裂能力的方法越來(lái)越受重視。

對(duì)于面層抗裂性能的研究，目前主要通過(guò)采用聚合物改性瀝青，提高瀝青混合料的低溫柔韌性，減少裂縫出現(xiàn)的幾率。與改性瀝青相比，纖維在瀝青混合料中的作用同樣能改善高低溫性能，一個(gè)突出的特點(diǎn)是能阻止裂縫的擴(kuò)展，包括溫縮裂縫和反射裂縫。因此近年來(lái)對(duì)纖維瀝青混合料的研究和應(yīng)用越來(lái)越廣泛。瀝青混合料的低溫抗裂能力與它在低溫下的抗拉強(qiáng)度、松弛能力，以及收縮性質(zhì)等有關(guān)。通過(guò)纖維瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)和斷裂試驗(yàn)，可以得到材料的彎拉強(qiáng)度、勁度模量、破壞應(yīng)變、斷裂韌度等力學(xué)參數(shù)，由此可以分析纖維瀝青混凝土的抗裂性能。

二、纖維瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用的瀝青混凝土選擇比較常用的防滑面層材料AK-13A型瀝青混合料，瀝青為ESSO70#重交瀝青，瀝青用量為4.7%，纖維為聚丙烯腈綸纖維，纖維用量分別為集料總重的0.1%和0.2%，瀝青混凝土梁由輪碾法成型的瀝青混合料試塊切割而成，尺寸為250mm×50mm×50mm，跨徑200mm，高跨比W/L為4。小梁的編號(hào)為M0、M0.1和M0.2，所對(duì)應(yīng)的混合料纖維用量分別為0、0.1%和0.2%。

瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)在MTS810試驗(yàn)機(jī)上完成，加載方式采用應(yīng)變控制模型，加載速率為1mm/min，由計(jì)算機(jī)完成應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集。試驗(yàn)溫度為0℃和-12℃。

勁度模量和破壞應(yīng)變計(jì)算公式

瀝青混凝土小梁的彎拉模量E 和破壞應(yīng)變?chǔ)诺挠?jì)算公式如下:

式中: PS ---極限荷載，N ；

L ---跨徑，為200mm ；

b ---梁寬，為50mm ；

h ---梁高，為50mm ；

δ---極限荷載時(shí)的跨中變形，mm

小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

在加載初期，M0.1和M0.2纖維瀝青混凝土的曲線斜率比普通瀝青混凝土M0的大，即前者具有較大的勁度，因?yàn)槔w維在其中起到了加勁作用，它減小了瀝青混凝土的響應(yīng)。當(dāng)達(dá)到材料極限荷載時(shí)，M0幾乎同時(shí)發(fā)生斷裂，表現(xiàn)為脆斷。而M0.1和M0.2具有與金屬相同的塑性特征，存在明顯的屈服階段，此時(shí)纖維的橋聯(lián)作用使材料仍具有一定的承載能力，直至纖維從瀝青中拔出或斷裂而引起失穩(wěn)斷裂。

其次一個(gè)顯著的特點(diǎn)是纖維明顯提高了瀝青混凝土的破壞應(yīng)變。在瀝青混合料中加入纖維后，雖然破壞荷載變化較小，但破壞應(yīng)變?cè)龃蠓容^大。與M0普通瀝青混凝土相比，在0℃時(shí)，M0.1和M0.2纖維瀝青混凝土破壞應(yīng)變分別提高30.6%和50%，而在-12℃破壞應(yīng)變提高35.9%和65.6%，可見(jiàn)纖維對(duì)瀝青混凝土變形能力的改善效果非常顯著，并且這種改善效果隨纖維用量增大而提高。另外可以看出，當(dāng)溫度從0℃降低到-12℃，未加纖維的瀝青混凝土破壞應(yīng)變降低較多，即材料變得更脆。而纖維瀝青混凝土仍然保持一定的破壞應(yīng)變，如纖維用量為0.2%的纖維瀝青混凝土在0℃和-12℃溫度條件下的破壞應(yīng)變分別為0.0108和0.0106 ，幾乎相等。若從彎拉模量來(lái)看，M0.1和M0.2的彎拉模量比M0小，低溫變形能力更好，從而具有較好的抗裂能力。

另外也可根據(jù)荷載-撓度曲線，計(jì)算曲線以下的面積，即材料的韌度，來(lái)反映材料抵抗破壞的能力。正因?yàn)槔w維瀝青混凝土在加載至破壞過(guò)程中需要經(jīng)歷一段較長(zhǎng)的屈服階段，其韌度明顯比普通瀝青混凝土大。

三、帶切口彎曲梁試驗(yàn)

對(duì)于許多路面來(lái)說(shuō)，在瀝青面層施工之前，半剛性基層由于未養(yǎng)護(hù)好而產(chǎn)生了裂縫。這些微小裂縫在面層底部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在溫度和荷載的反復(fù)作用之下，這些裂縫將反射至面層。為模擬該現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了帶切口彎曲梁試驗(yàn)，并引入斷裂韌度JIC參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)材料的抗裂能力。

1、J積分的測(cè)試方法

　 其中L、B和W分別為試件的長(zhǎng)寬高，a為初始裂紋長(zhǎng)度，P為荷載，PS為破壞荷載，Up和Ue分別為塑性應(yīng)變能和彈性應(yīng)變能，ΔP和Δe分別為塑性變形和彈性變形。

其中U為形變功。對(duì)一定的P、Δ值，曲線下包圍的面積即為形變功U，然后根據(jù)U、B、W即可求得相應(yīng)的J。

為考慮溫度對(duì)材料斷裂參數(shù)的影響，采用了兩個(gè)試驗(yàn)溫度，0℃和- 12℃。M0、M0.1和M0.2三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。

以上計(jì)算的U為荷載達(dá)到極限值PS時(shí)的形變能，此時(shí)材料處于臨界狀態(tài)。定義材料處于臨界狀態(tài)的J積分為延性斷裂韌度JIC，其值越大，說(shuō)明材料的抗裂能力越大。JIC包括彈性部分Je和塑性部分Jp ，可通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算。

2、帶切口小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

纖維用量對(duì)JIC的影響分析

在瀝青混合料中加入纖維之后，纖維通過(guò)與瀝青、瑪蹄脂的改善作用，最終提高了混合料的整體韌度，在裂縫擴(kuò)展之前具有比較明顯的屈服階段，表現(xiàn)為延性斷裂。在0℃和-12℃時(shí)，未加纖維的瀝青混合料M0的JIC較小，并且大部分為彈性分量Je，其所占比例分別為74.9%和97.1%； 纖維用量為0.1%的瀝青混合料M0.1和Je所占比例為35.7%和60.9%；纖維用量為0.2%的瀝青混合料M0.2的Je所占比例為37.1%和36.8%。一般說(shuō)來(lái)，J越大，材料的抗裂能力越大，而J中彈性分量Je和塑性分量Jp的比例也對(duì)其影響很大。因?yàn)闃?gòu)成Je的形變功是彈性功，以可逆形式存在于結(jié)構(gòu)中，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中將釋放出來(lái)，助長(zhǎng)裂紋開(kāi)裂; 而構(gòu)成Jp的是塑性功，消耗于塑性變形，為不可逆，對(duì)以后的裂紋擴(kuò)展不構(gòu)成威脅。故大的Je或大的Jp，均有可能得到大的J，但只有大的Jp，才有可能得到大的阻力曲線斜率dJ/da。本試驗(yàn)未測(cè)定材料的Jr阻力曲線，僅分析了起裂點(diǎn)的JIC，未能更好地說(shuō)明纖維在混合料裂縫擴(kuò)展過(guò)程的作用。但JIC已經(jīng)很好地說(shuō)明，纖維在瀝青混合料中的阻裂作用非常明顯。隨著纖維用量的增加，JIC 增加較大，并且Jp所占比例越大，材料表現(xiàn)出更好地延性。

溫度對(duì)JIC的影響分析

溫度影響瀝青混凝土的勁度，溫度越低，勁度越大，材料特征主要表現(xiàn)為彈性，斷裂為脆性斷裂。M0的JIC由0℃時(shí)的0.3853MP·mm，降至-12℃的0.2883MPa·mm，主要是由于Jp減少，-12℃時(shí)的Jp值幾乎為0，材料幾乎為完全彈性體。M0.1在溫度降低過(guò)程中Je提高，Jp降低，因此Je所占比例明顯提高，材料的韌性降低； M0.2當(dāng)溫度下降時(shí)，Je和Jp同時(shí)降低，但Jp仍保持較高的比例，材料起裂時(shí)仍具有明顯的屈服階段，表現(xiàn)為韌斷。

四、結(jié)語(yǔ)

(1) 通過(guò)瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)表明，纖維瀝青混凝土的彎拉強(qiáng)度變化較小，而破壞應(yīng)變明顯提高，提高幅度達(dá)到30%～65%。當(dāng)溫度下降時(shí)，普通瀝青混凝土的破壞應(yīng)變降低較快，脆性增加，而纖維瀝青混凝土的破壞應(yīng)變變化很小，材料達(dá)到極限承載能力之前具有比較明顯的屈服階段，材料的韌性增加，從而抗裂能力得到了提高。

(2) 根據(jù)帶切口三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)的荷載-變形曲線，分析了纖維瀝青混凝土的斷裂特征，并提出J積分判據(jù)來(lái)分析纖維瀝青混凝土的斷裂問(wèn)題。試驗(yàn)研究表明，纖維的加入顯著地提高了瀝青混合料的塑性功，即在塑性變形階段，主要由纖維從混合料中拔出或斷裂，增加了裂紋擴(kuò)展的應(yīng)變能，抗裂能力得到明顯提高。

(3) 從斷裂韌度與溫度的關(guān)系中分析得出，纖維的加入明顯提高了材料的韌度，纖維瀝青混凝土保持一定的塑性和變形能力，在很低的溫度環(huán)境下仍保持較好的抗裂性能。

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