摻加纖維對橡膠瀝青混合料疲勞性能的影響

劉少鵬，黃衛(wèi)東，紀(jì)淑貞

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.上海群康瀝青科技有限公司，上海200433）

為了解決半剛性基層反射裂縫問題，其中最重要的手段之一就是設(shè)置應(yīng)力吸收層［1-4］。應(yīng)力吸收層一般設(shè)置在瀝青面層與基層之間［5］，來自基層的應(yīng)力經(jīng)過應(yīng)力吸收層分散后可以延緩和阻止瀝青面層反射裂縫的產(chǎn)生。

橡膠瀝青混合料成型后較為密實(shí)、粘結(jié)力強(qiáng)，同時(shí)還具有優(yōu)良的自愈能力［6］，能夠與基層較好的粘結(jié)在一起，隨著基層的變形而變形。

纖維作為一種理想的加筋材料［7-8］，可有效地提高瀝青混合料的抗裂性以及高溫穩(wěn)定性。纖維的加入，可均勻的分散在混合料中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［9］，有效地阻礙了瀝青的流動(dòng)，增加了瀝青混合料中骨料的結(jié)合性能［10］。同時(shí)，纖維可以顯著改善瀝青混合料路面的柔韌性［11］，減弱瀝青混凝土在產(chǎn)生塑性收縮或膨脹時(shí)的脹力，大大提高瀝青路面的抗沖擊、抗疲勞能力［12-13］。

本研究中基于疲勞性能、以應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，采用橡膠改性瀝青作為膠結(jié)料，探討在應(yīng)力吸收層中添加纖維對混合料的疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及其性能

1.1 瀝青

基質(zhì)瀝青選用ESSO70#重交石油瀝青，其性能指標(biāo)見表1。膠粉選用山東產(chǎn)40目廢舊輪胎膠粉。參考工程實(shí)踐，橡膠瀝青中膠粉的摻量采用外摻21%。橡膠瀝青的生產(chǎn)采用小型對流式攪拌機(jī)，在180℃條件下勻速攪拌1.5h至膠粉均勻的融于基質(zhì)瀝青中。橡膠瀝青的基本性能指標(biāo)如表2。

1.2 纖維

纖維選用木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、腈綸纖維進(jìn)行試驗(yàn)研究。纖維的質(zhì)量符合規(guī)范技術(shù)要求，在250 ℃的干拌溫度不變質(zhì)、不發(fā)脆。纖維摻量為瀝青混合料總質(zhì)量的0.3%。

1.3 集料

本研究所用粗集料（≥4.75 mm）為江蘇茅迪玄武巖，細(xì)集料（2.36 mm以下各檔）為石灰?guī)r，填料采用普通硅酸鹽水泥。集料密度見表3所示。

表1 埃索70#基質(zhì)瀝青常規(guī)指標(biāo)檢測結(jié)果Tab.1 Conventional test results for ESSO 70#

表2 橡膠瀝青指標(biāo)Tab.2 Conventional test results for asphalt rubber

表3 集料密度Tab.3 Density of aggregate

2 試驗(yàn)方法及配合比設(shè)計(jì)

2.1 疲勞試驗(yàn)

在本研究中，采用四點(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)［14］，加載方式為應(yīng)變控制。試驗(yàn)儀器采用澳大利亞IPC公司產(chǎn)氣動(dòng)伺服四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)BFA，相比MTS用的疲勞小梁，BFA小梁尺寸較大，控制更為精確。BFA自帶恒溫環(huán)境箱，密閉性能良好，在中控器上有溫度傳感器接口，可以實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)溫度，環(huán)境箱也可用于實(shí)現(xiàn)不同溫度下的疲勞試件，溫度可控制在-20～60 ℃，精度達(dá)0.1 ℃。試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)控制參數(shù)Tab.4 Test control parameters

2.1.1 勁度模量衰減50%評價(jià)法

常用的疲勞壽命的定義為，以初始勁度模量衰減50%所需加載次數(shù)作為最終的疲勞壽命［15］。50%勁度模量衰減方法，首先是Pronk 和Hopman 以及Tayebali 等人提出的，并被AASHTO 的臨時(shí)規(guī)范TP8-94所采納，作為對疲勞破壞的定義。50%勁度模量衰減法在疲勞壽命的評價(jià)上，具有試驗(yàn)快速、數(shù)據(jù)分析簡便的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究證明了的一種疲勞分析方法。

2.1.2 歸一化勁度次數(shù)積評價(jià)法

根據(jù)Rowe和Bouldin的研究成果，ASTM D7460制定了新的疲勞壽命獲取方法［15］。ASTM D7460中，疲勞破壞點(diǎn)定義為歸一化勁度次數(shù)積在荷載次數(shù)圖中的峰值，初始勁度模量取第50次的勁度模量。歸一化勁度次數(shù)積（normalized modulus×cycles，NM），如式（1）。

式中：NM—?dú)w一化勁度次數(shù)積；

Ni—加載次數(shù)；

Si—第i次加載時(shí)時(shí)間的勁度模量；

S0—初始勁度模量，取第50次加載時(shí)的勁度模量；

N0—初始次數(shù)，取50次。

歸一化勁度次數(shù)積評價(jià)法，可以較為確切的反應(yīng)小梁的實(shí)際破壞機(jī)理，與50%勁度模量衰減方法相比較更為合理且穩(wěn)定。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證纖維對橡膠瀝青混合料疲勞性能的影響，結(jié)合應(yīng)力吸收層特點(diǎn)，級配選用適用于橡膠瀝青的ARAC-10型級配，各篩孔通過率如表5，瀝青用量為8.0%，9.0%兩組，8.0%瀝青用量下目標(biāo)空隙率為2%。

表5 級配表Tab.5 The mixture gradation

3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

筆者主要采用歸一化勁度次數(shù)積法對小梁的疲勞壽命進(jìn)行分析，并以50%勁度模量衰減法作為對照，結(jié)合這兩種方法所得出的結(jié)果對小梁疲勞壽命進(jìn)行評價(jià)。

3.1 纖維類型的影響

當(dāng)瀝青用量為8%時(shí)，在1 100 με，1 300 με，1 500 με 3種應(yīng)變條件下所測得的小梁的疲勞壽命如表6。

由圖1、圖2、圖3可知，在3種應(yīng)變水平下，纖維的使用均對混合料的疲勞壽命有了不同程度地提高；其中聚酯纖維、木質(zhì)素纖維對混合料的疲勞壽命提高較為明顯，在1 100 με下小梁的NfNM值提高都超過40%，1 300 με下小梁的NfNM值提高幅度可達(dá)90%，而在1 500 με下小梁的NfNM值提高幅度最大均超過110%。并且聚酯纖維在大應(yīng)變水平下更具有優(yōu)勢。歸一化勁度次數(shù)積法所得的疲勞壽命與50%勁度模量衰減方法所得的疲勞壽命較大的區(qū)別，但存在較好的對應(yīng)關(guān)系。

表6 不同纖維在各應(yīng)變水平下的疲勞壽命對比Tab.6 The fatigue life of different fibers under different strain levels

圖1 在1 100 με水平下?lián)郊永w維對混合料疲勞壽命影響對比Fig.1 The comparison of mixture fatigue life under the 1 100 με

圖2 在1 300 με水平下?lián)郊永w維對混合料疲勞壽命影響對比Fig.2 The comparison of mixture fatigue life under the 1 300 με

纖維均勻分散到混合料中，起到一定的加筋作用，同時(shí)其吸附一些自由瀝青形成結(jié)合瀝青提高了膠結(jié)料的粘結(jié)性，這就對小梁在彎拉作用下裂縫的產(chǎn)生及拓展起到了很好的減緩作用。而纖維在混合料中的分散程度以及纖維的長纖比、密度、強(qiáng)度及韌性等物理力學(xué)特性，又決定了不同纖維對混合料的疲勞壽命改善程度不盡相同。聚酯纖維以及腈綸纖維與木質(zhì)素纖維相比具有更高的長纖比、強(qiáng)度及韌性，對混合料的加筋效果更為明顯，但是其吸收瀝青的能力遠(yuǎn)不及木質(zhì)素纖維。故木質(zhì)素纖維與聚酯纖維、腈綸纖維對混合料疲勞性能改善效果相差不大或受此影響。

圖3 在1 500 με水平下?lián)郊永w維對混合料疲勞壽命影響對比Fig.3 The comparison of mixture fatigue life under the 1 500 με

3.2 瀝青用量的影響

從經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行考慮，木質(zhì)素纖維價(jià)格較低，并結(jié)合對疲勞性能的改善程度，采用木質(zhì)素纖維進(jìn)行后續(xù)研究。以9%的瀝青用量成型混合料，結(jié)合前文，繼續(xù)對混合料的疲勞性能進(jìn)行研究。

不同應(yīng)變水平、不同瀝青用量下小梁的疲勞壽命見表7。

表7 不同瀝青用量下疲勞壽命Tab.7 The fatigue life under different asphalt content

由表7、圖4可知，同種混合料的疲勞壽命與應(yīng)變水平有良好的相關(guān)性，隨著應(yīng)變水平的提高，瀝青混合料的疲勞壽命呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

相同應(yīng)變水平同種類型的混合料，其小梁疲勞壽命在9%瀝青用量下明顯高于8%瀝青用量。同時(shí)，疲勞壽命跟瀝青用量具有較明顯的正相關(guān)關(guān)系。分析其原因主要是由于，瀝青用量的增加可以使混合料的勁度模量出現(xiàn)下降，即混合料的柔韌性提高；在外荷載反復(fù)作用下，柔韌性越高裂縫的產(chǎn)生擴(kuò)展必然會(huì)越慢，從而使得混合料的疲勞壽命得到提高。對于抗疲勞性能與高溫性能的平衡設(shè)計(jì)是個(gè)值得研究的方向。

圖4 兩種瀝青用量下疲勞壽命隨應(yīng)變水平變化趨勢Fig.4 The change trend of fatigue life with strain levels under two kinds of asphalt content

5 結(jié)語

通過小梁彎曲疲勞試驗(yàn)，對纖維用于橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的可行性進(jìn)行了論證，得出的主要結(jié)論如下：

1）纖維對混合料的疲勞壽命均有不同程度的提高，在1 100 με，1 300 με，1 500 με下NfNM值提高幅度分別超過40%，90%，110%；

2）混合料的疲勞壽命與瀝青用量成正比，而與應(yīng)變水平成反比；

3）綜合考慮改善效果及經(jīng)濟(jì)性，木質(zhì)素纖維較適合用于橡膠瀝青應(yīng)力吸收層。

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