巖石纖維對瀝青混凝土的韌性影響研究

王懷鵬，高春妹，齊 瑞，陶美凈

(吉林建筑大學，吉林 長春 130118)

0 前 言

北方地區路面受氣候影響較大,瀝青路面材料在承受的荷載達到最大值之后,其隨水平變形的增大而下降的速度關系到實際路面的綜合使用性能。針對瀝青路面來說,對于其在開裂前后的總體力學情況必須采取適當的分析方法,評價指標恰當與否，關系到瀝青混合料的抗裂特性評估準確性。尤其是巖石纖維的摻入，對瀝青混合料抗裂性能的影響敏感度，評估指標起到至關重要的作用。

1 玄武巖纖維瀝青混凝土韌性試驗方法的選取

關于纖維混凝土的韌性評估指標和測定方法,現在比較經典的方法大致有:日本的Jsce-SF4方法、美國的ASTM-C108方法、日本Freeman方法、Mashnad方法及Sobhan方法[1-4]。

JSCE-SF4方法評價指標選用韌性系數g采用三分點加載的小梁試件進行彎曲試驗,避開了初裂點的確定,但對于試件裂前和裂后的行為,平均強度值不能將其很好地反映出來，而且求得的韌度因子變異性較大,同時對試驗儀器要求較高。

ASTM-C108方法通過I5、I10、I30三個韌性指數來對纖維混凝土的韌性進行評定。采取三分點加載的小梁彎曲試驗方法,但這種方法的缺點是初裂點位置確定困難，目前的試驗儀器捕捉的位置不理想，導致測試數據的精確度不夠。一切研究結果最終為實際應用服務，需要實驗室成果與工程指標銜接良好，但這種方法用的是吸收能量的相對值，而外界條件大大影響能量吸收，因此，該方法存在不可回避的現實問題。

Freeman法對韌性的定義是間接拉應力-垂直變形曲線所包圍的面積，試驗方法是間接拉伸試驗,這種方法克服了外界條件對能量吸收的影響，優點是實驗室試件在全破壞過程中吸收能量水平可以較好地反映出來,但仍然不能將試件的裂后行為很好地反映出來。

Mashnad法和Sobhan法，簡稱M-S法，借助間接拉伸室內實驗，選用將荷載-變形曲線進行無量綱化，然后再來評價纖維水泥穩定碎石的韌性，目前這種評定方法不但能將裂后行為很好地反映出來,而且計算簡單,意義明確。采用的評價指標是韌性指數TI,其計算式如下:

(1)

式中，dP為最大荷載對應的變形值;d為任一比dP大的變形值;AP為峰值對應下的無量綱化后曲線面積;Ad為d/dP對應下的無量綱化后曲線面積。

經過綜合分析后，巖石纖維對瀝青混凝土的開裂前后的變形影響程度評價采用M-S方法,以間接拉伸試驗為引,通過使用韌性特征來對巖石纖維瀝青混凝土的斷裂前后的行為進行深入研究,定量評估巖石纖維對瀝青混凝土開裂前后的力學行為改善程度。

2 結果分析

1)間接拉伸試驗結果。9 mm長玄武巖纖維三種摻量和6 mm長玄武巖纖維三種摻量的瀝青混凝土M-S曲線見圖1。

圖1 不同纖維摻量對瀝青混凝土變形影響的M-S曲線

從圖1可以看出,在試件發生間接拉壞之前,對于某荷載數值(Pi)對應的水平變形(Xi),摻加了纖維的瀝青混凝土水平變形大;當試驗對象都發生間接拉壞后，即加載值達到峰值荷載(Pmax)后,對某一荷載數值(Pj)，其對應的開裂破壞后再次產生的水平形變數值(Xj),仍然是摻加了玄武巖纖維的瀝青混凝土水平變形數值(Xj)大。這一試驗數據規律就表明了玄武巖纖維(BF)對瀝青混凝土開裂后的變形發展速度有所約束。

從圖1中還可以看出,加入玄武巖纖維(BF)的瀝青混凝土，當荷載加到破壞荷載值后,對試件繼續加載，此時試件承受荷載的能力要高于不加纖維的，這直觀地說明玄武巖纖維(BF)明顯提高了瀝青混凝土的韌性,可以修復瀝青混凝土破壞帶來的損傷，賦予了混凝土的自愈能力，相當于智能材料的功效。

從圖1的多條曲線上還可以看到，摻量是0.15%的6 mm的巖石纖維瀝青混凝土和摻量是0.07%的9 mm的巖石纖維瀝青混凝土的開裂破壞后的自愈能力最強，即變形性能最好,隨著水平形變Xj的增加,荷載下降速度最慢。

2)韌性指數分析。將圖1中的荷載-位移(P-X)試驗曲線作無量綱化,即荷載Pi除以峰值荷載Pmax、水平變形Xi除以峰值荷載Pmax下對應的水平變形Xmax。無量綱化的M-S變形曲線見圖2。

圖2 無量綱化的M-S曲線對比圖

從圖2中可以看到,在P/Pp最大值后，是沒有摻入纖維(BF)的瀝青混凝土(P/Pp)j數值下降最快，而摻加纖維(BF)的瀝青混合料(P/Pp)j下降速度較小，這明確顯示了巖石纖維的加入提高了瀝青混凝土的開裂后變形能力。而巖石纖維的加入則能夠改善瀝青混凝土的開裂前和開裂后變形能力,瀝青混凝土在破壞后的自愈能力增加，即增加了瀝青混凝土的韌性。

根據室內試驗數據結果和M-S的韌性評價方法,擬定加入玄武巖纖維的瀝青混凝土的韌性指數公式為:

(2)

式中，AP是峰值對應下的無量綱化后曲線面積；AX/XP是X/XP對應下的無量綱化后曲線面積；X是任一水平變形值；XP是最大荷載對應的水平變形值；Y是(XP

根據式(2)計算得出了多種玄武巖纖維(BF)摻量在水平變形X等于0.9 mm時的韌性指數,其TI值見表1,變化趨勢見圖3。

從表1數值和圖3趨勢可以看出,加入玄武巖纖維(BF)后,韌性指數(TI)提高了，只有0.17%的摻量提高不明顯,其中增加明顯的是9 mm長摻量分別是0.05%、0.07%和6 mm長摻量是0.15%時。當纖維長度是6 mm、其對應摻量是0.17%時的瀝青混凝土韌性指數TI6 mm與普通瀝青混凝土的TI0數值相比[2]，已略遜于普通瀝青混凝土,這表明纖維摻量的細微變化，對于細粒式密級配的瀝青混凝土而言，是個非常敏感的影響因素。要使纖維分布較為均勻,只有加入適當量的玄武巖纖維(BF),才可以在瀝青混凝土基體中形成的空間網絡結構有效，進而利于應力的傳遞與消散,期望上延緩已發生破壞的瀝青混凝土的裂縫擴展速度,提高瀝青混凝土的開裂破壞后使用品質.

表1 不同纖維長度的韌性指數

從圖3中可以看到，9 mm長的玄武巖纖維(BF)在其選定的摻量范圍內對瀝青混凝土的增韌性能顯著,且隨摻量的變化韌性指數值(TI)波動較小。

(a)6 mm玄武巖

3 結 論

1)對9 mm長和6 mm長玄武巖纖維(BF)瀝青混凝土來說，對應摻量分別是0.05%、0.07%和0.15%的韌性指數(TI)都較大,可以有效改善瀝青混凝土的開裂破壞后的使用品質。

2)對于固定長度的玄武巖纖維(BF),不同摻量值對應的韌性指數值TI變化明顯,即TI數值對BF的加入敏感度高。

3)9 mm長的玄武巖纖維(BF)要優于6 mm長的玄武巖纖維(BF)對瀝青混凝土的韌性性能改善效果。

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