纖維瀝青混凝土動力學性能試驗研究

摘要:采用變截面分離式Hopkinson壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar， SHPB)，對普通瀝青混凝土、玻璃纖維瀝青混凝土、木質素纖維瀝青混凝土和3個摻量的聚酯纖維瀝青混凝土進行了3種應變率的沖擊壓縮試驗研究。試驗結果與分析表明，瀝青混凝土具有應變率增強效應，其動力抗壓強度及韌性指標隨著應變率的增大而增大;但是，纖維瀝青混凝土動力抗壓強度及韌性指標增長率隨應變率提高有遞減趨勢;纖維含量對瀝青混凝土在動力條件下的動力行為有顯著影響，聚酯纖維摻量為0.25%的瀝青混凝土動力抗壓強度及韌性指標最優;3種纖維都可以增加材料的動力抗壓強度及韌性指標，聚酯纖維增強瀝青混凝土抗壓強度最佳，木質素纖維次之，玻璃纖維最差;聚酯纖維提高瀝青混凝土韌性指標最佳，玻璃纖維次之，木質素纖維最差。

關鍵詞:瀝青混凝土;纖維加筋;SHPB試驗;動力抗壓強度;韌性指標

Experimental Study on Dynamic Properties of Fiber Reinforced Asphalt Concrete

ZENG Meng-lan， PENG Shan， HUANG Hai-long

(College of Civil Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082， China)

Abstract: Compressive impact tests were conducted on asphalt concrete， glass fiber reinforced asphalt concrete， lignin fiber reinforced asphalt concrete， and polyester fiber reinforced asphalt concrete of three contents with three strain rates using the split Hopkinson pressure bar with varying cross-section. Test results and analyses indicate that there is a strain rate enhancing effect on asphalt concrete. Both the dynamic compressive strength and toughness index increase with increasing strain rate. However， the increase rates of the strength and toughness index decrease with increasing strain rate for fiber reinforced asphalt concrete. Fiber content has a significant influence on the dynamic behavior of asphalt concrete. At a polyester content of 0.25%， the compressive strength and toughness index reach maximum values. All the fibers can improve the dynamic properties of asphalt concrete. For improving compressive strength， polyester fiber is the best， lignin fiber the second， and glass fiber the least; while for improving toughness index， polyester fiber is the best， glass fiber the second， and lignin fiber the least.

Key words: asphalt concrete; fiber reinforcement; SHPB test; dynamic compressive strength; toughness index

引言

大量關于纖維瀝青混凝土性能的研究成果表明，摻入纖維后可改善瀝青混凝土的

使用性能，且由于纖維瀝青混凝土的施工工藝較簡單，不需增加額外的設備，具有廣泛的應用前景。迄今為止，前人對纖維瀝青混凝土力學性能的研究大都基于靜態、準靜態條件下，其動力力學性能的研究相對較少，

而作為路面材料被廣泛使用的瀝青混凝土在工作過程中除承受變化緩慢的準靜態荷載外，同時還承受車載進行過程中的劇烈沖擊作用，材料在高應變率下的特性受波傳播效應、慣性效應等的影響，與靜態、準靜態試驗提供的力學參數有很大不同，因此研究和測定纖維瀝青混凝土動力學性能非常必要。本文以分離式霍普金斯壓桿SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)試驗技術對其進行研究，其結果對纖維瀝青混凝土在地震、爆炸等條件下動力響應等問題的研究也具有一定的意義。

1 SHPB試驗裝置及試驗過程

SHPB也稱為Kolsky桿，試驗裝置包括輕氣槍、輸入桿、輸出桿、撞擊桿，試件放置于輸入桿與輸出桿之間。通過高壓氣體推動撞擊桿以一定的速度撞擊入射桿，在入射桿中產生入射波，波傳到入射桿與試件的界面時，一部分反射，形成反射波，一部分透射傳入透射桿，形成透射波。入射桿中間的應變片記錄下入射波與反射波應變隨時間變化的過程，而貼于透射桿中間的應變片記錄下透射波應變隨時間變化的過程，通過分析計算，可得到試件材料的應力-應變關系曲線。

試驗采用 變截面SHPB裝置，其布置簡圖如圖1所示。

圖1 SHPB試驗裝置示意

Fig. 1 Schematic illustration of SHPB test equipment

2 試驗概況

2.1試驗原材料

本試驗采用泰州產中海70號A級道路石油瀝青，集料為石灰巖，取自湖南常德華天碎石廠，礦粉為石灰巖質，產自湖南湘鄉。聚酯纖維:直徑 μm，長度6mm，抗拉強度 500Mpa;玻璃纖維:無堿玻璃纖維，長度12mm、直徑為9~13μm;木質素纖維:長度<6mm。

2.2 SHPB試件成型及試驗安排

礦料級配采用AC-13[1]級配中值，最大粒徑為16mm。試件成型采用靜壓法[2]，在馬歇爾試驗確定的最佳瀝青用量下靜壓成型，尺寸采用 。試驗試件分6組，分組安排見表1。

每組試件分別進行應變率約為50(1/s)、110(1/s)和170(1/s)的SHPB壓縮試驗。試驗溫度控制在20℃，由專門設計的配合SHPB系統的高低溫試驗裝置控制。為使試件受力均勻，避免接觸不平，在試件與入射桿之間加設了萬向頭。為使應力脈沖在試件破壞前有足夠的時間來回反射以獲得時間內應力均勻，還在入射桿的打擊端加設波形整形器，以消除高頻震蕩，改善加載波質量[3]。

3 SHPB試驗結果

為保證試驗結果的可靠性，本實驗對每組試件每個應變率下進行4-5次平行試驗，對其得到的應力應變曲線進行平均處理，試驗表明，平行試驗得到的應力-應變曲線重合性較好。沖擊試驗結果見表2，圖2~圖7分別給出了6組試件處理后的應力-應變曲線。

4 SHPB試驗結果分析

從表2數據中可以看出，每組試件都存在比較明顯的應變率效應，即隨著應變率的提高，瀝青混凝土的動力抗壓強度提高。應變率硬化原因可以從以下兩方面進行解釋:(1)在瀝青混凝土內部、骨料周圍及整個瀝青膠漿中布滿了大小不同的微裂紋和微孔洞等損傷。混凝土材料的破壞是由于裂紋的產生和擴展導致的，裂紋產生所需的能量遠比裂紋擴展所需的能量高[4]。應變率越大，產生的裂紋數目就越多，因而需要的能量就越多;又因為沖擊荷載作用的時間極短，材料沒有足夠的時間用于能量的累積，即變形緩沖作用小，根據沖量定理或功能原理，它只有通過增加應力的辦法來抵消外部沖量或能量，因此，材料的強度隨應變率的增加而增加。

(2)類似于Bracc W F[5] 和Janach W[6] 等學者對巖石應變率硬化的分析，瀝青混凝土的應變率硬化效應可以看作材料由一維應力狀態向一維應變狀態轉換過程中的力學響應，其理由是:混凝土試件比較大，在SHPB試驗中，試件內部的受力狀態已經不能準確地說是一維應力，特別是在試件的中心部位，在沖擊荷載作用下，由于材料的慣性作用，試件側向的應變受到限制，并且應變率越高，這個限制作用就越大，材料近似處于圍壓狀態，從而其強度隨應變率的增加而增加。

4.1 動力抗壓強度

4.1.1 不同纖維摻量時動力抗壓強度對比

對A、B、C、D四組試件進行對比。在瀝青混凝土中摻入聚酯纖維后，瀝青混凝土動力抗壓強度有所改善，從表2中數據可知，當聚酯纖維摻量為0.1%時，在應變率分別約為50(1/s)、110(1/s)、170(1/s)的情況下，抗壓強度增長率(纖維瀝青混凝土與普通瀝青混凝土動力抗壓強度的差值占普通瀝青混凝土動力抗壓強度的百分比)分別為3.7%、3.4%、2.7%;當聚酯纖維摻量為0.25%時，在應變率分別約為50(1/s)、110(1/s)、170(1/s)的情況下，抗壓強度增長率分別為14.5%、13.1%、5.1%;當聚酯纖維摻量為0.4%時，在應變率分別約為50(1/s)、110(1/s)、170(1/s)的情況下，抗壓強度增長率分別為6.2%、3.4%、-4.3%。從以上的現象可以看出，當在普通瀝青混凝土中摻入聚酯纖維時，隨著聚酯纖維摻量的適當增加，瀝青混合料的動力抗壓強度會有所提高，當聚酯纖維摻量增加到0.25%時，抗壓強度達到最大值;當聚酯纖維摻量進一步增加時，由于纖維的分散性變差，它不僅會大量的吸附混合料中瀝青，在礦質骨料之間還會出現結團和夾層的現象，使瀝青混合料的粘聚力急劇下降，纖維的工作性能大大降低。因此，當瀝青混合料摻入過量纖維時，其動力抗壓強度會降低。

圖8 不同聚酯纖維摻量時試件抗壓強度增長率

Fig 8 Compressive strength increase ratios at different polyester fiber contents

由圖8，在不同聚酯纖維摻量時，試件的抗壓強度增長率隨應變率的提高有遞減的趨勢，在聚酯纖維摻量為0.4%、應變率約為170(1/s)時甚至出現負增長。造成這種現象的主要原因是:隨著應變率的增大，纖維的增強作用減弱，纖維與基體的接觸面在高應變率下甚至成為影響混凝土抗壓強度進一步提高的弱界面，在高應變率下纖維根本來不及發揮其增強效應，而混凝土材料的應變率增強效應又使纖維瀝青混凝土的抗壓強度仍然有所增長。也就是說，在低應變率時，試件的動力抗壓強度的增長由應變率增強效應和纖維阻裂增強共同引起，而隨著應變率的增大，纖維阻裂增強減弱甚至消失，造成高應變率時抗壓強度的增長不如低應變率時抗壓強度的增長。

4.1.2 不同纖維種類時動力抗壓強度對比

對A、C、E、F四組試件進行對比。在瀝青混凝土中分別摻入玻璃纖維和木纖維后，動力抗壓強度有所改善，但不如聚酯纖維效果顯著。由表3，玻璃纖維摻量0.25%時，在應變率分別約為50(1/s)、110(1/s)、170(1/s)的情況下，抗壓強度增長率分別為6.7%、4.7%、-6.4%;當木纖維摻量為0.25%時，在應變率分別約為50(1/s)、110(1/s)、170(1/s)的情況下，抗壓強度增長率分別為7.9%、6.0%、-4.8%。這一現象與摻聚酯纖維時相似，即試件的抗壓強度增長率隨應變率的提高有遞減的趨勢，甚至出現負增長。

由表2，玻璃纖維瀝青混凝土動力抗壓強度在相同加載條件下略微低于木纖維瀝青混凝土動力抗壓強度，這一結果與靜態下研究成果不同—靜態下玻璃纖維瀝青混凝土抗壓強度高于木纖維瀝青混凝土。這主要是因為:在靜態荷載作用時，木纖維主要是穩定增強，其強度增長較小，而玻璃纖維因其長徑比較大而能發揮較好的橋接增強作用，其強度有較大的增長;在動荷載作用時，荷載作用時間短，纖維橋接增強作用較小，玻璃纖維主要起增韌作用，應力應變曲線頂端有較長平臺段(見圖6)。木纖維因其在混合料中纖維間距較小而具有較好的增強效果。聚酯纖維因其合適的尺寸和長徑比而具有最好的增強效果。

4.2 沖擊荷載下韌性

韌性即為材料在一定荷載下所具有的變形能力，是材料延性和強度的綜合。一般從宏觀角度講，韌性可定義為材料或結構從加載到失效為止吸收能量的能力。針對纖維瀝青混凝上的沖擊壓縮應力-應變曲線特性，本文以應力-應變曲線下的面積作為韌度評價指標[7-14]。為此，對本實驗應變率分別約為50(1/s)、110(1/s)和170(1/s)的3個應變率范圍下應力-應變曲線分別在0-0.01、0-0.02、0-0.03、0-0.04、0-0.05應變范圍內計算出了應力-應變曲線與應變軸所圍面積S0.01、S0.02、S0.03、S0.04、S0.05(韌性指標)，其值見表3~表5，圖9給出了應變率約為110(1/s)時對比情況。

對照表3~表5中數據，總體看來，隨著聚酯纖維摻量的增加，試件的韌性指標明顯增大，當聚酯纖維摻量為0.25%時，韌性指標最大，當纖維摻量進一步增加到0.4%時，由于強度的降低導致韌性指標不再增大反而有所減小。產生這一現象的原因是纖維分布不均勻成團，使骨料間粘結力降低，在高應變率下甚至出現韌性指標比普通瀝青混凝土低的現象。在高應變率加載條件下，聚酯纖維瀝青混凝土韌性指標最大，玻璃纖維瀝青混凝土次之，木纖維瀝青混凝土韌性指標最差。

從6類試件整體情況看，在應變范圍較小時，普通瀝青混凝土試件韌性指標大于或不明顯低于纖維瀝青混凝土的韌性指標，而隨著應變范圍增大，其提高幅度不如纖維瀝青混凝土，這是由于普通瀝青混凝土破壞應變比纖維瀝青混凝土小，因此，在0-0.01應變范圍內其吸收能量要高于纖維瀝青混凝土，從而出現在0-0.01應變范圍內普通瀝青混凝土韌性指標高于纖維瀝青混凝土的現象，同時由于纖維瀝青混凝土最大應力的增大，導致其韌性指標的增大，從而也可能出現0-0.01應變范圍內纖維瀝青混凝土韌性指標略高于普通瀝青混凝土的現象。纖維瀝青混凝土的韌性隨著應變范圍的增大才逐漸得以體現，說明纖維瀝青混凝土的韌性提高主要表現在非穩定破壞階段。

5 結語

(1)在動力荷載作用下，瀝青混凝土具有應變率增強效應。也就是說，瀝青混凝土的動力抗壓強度隨著應變率的增大而增大，但纖維瀝青混凝土應變率效應沒有普通瀝青混凝土應變率效應明顯。

(2)3種含量的聚酯纖維瀝青混凝土動力抗壓強度和韌性指標隨纖維含量增大而明顯增大，當含量增加到0.4%時，動力抗壓強度和韌性指標不再增大反而有所減小。聚酯纖維摻量0.25%時，瀝青混凝土抗壓強度及韌性指標最優。

(3)在動力荷載作用下，玻璃纖維對瀝青混凝土抗壓強度增強作用減小。木纖維有較好的增強效果。聚酯纖維增強效果最優。纖維瀝青混凝土抗壓強度增長率隨應變率提高有遞減趨勢。

(4)與普通瀝青混凝土相比，3種纖維瀝青混凝土韌性指標均有所提高。在高應變率加載條件下，聚酯纖維瀝青混凝土韌性指標最大，玻璃纖維瀝青混凝土次之，木纖維瀝青混凝土增韌效果最差。纖維瀝青混凝土韌性指標增長率隨應變率提高有遞減趨勢。

(5)纖維瀝青混凝土韌性指標的提高在達到其應力峰值后的變現階段得以體現，纖維瀝青混凝土的韌性提高主要表現在非穩定破壞階段。

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