基于多指標(biāo)的纖維增強(qiáng)瀝青混凝土路用性能評(píng)價(jià)

摘要：為研究玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土路用性能的影響，文章通過劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)確定纖維的最佳摻量，測(cè)試不同溫度下纖維的加入對(duì)瀝青混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、單軸動(dòng)態(tài)模量以及浸水馬歇爾穩(wěn)定度的影響，利用DIC測(cè)試系統(tǒng)對(duì)SCB半圓試件加載過程進(jìn)行全時(shí)域監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：玄武巖纖維的摻入能提升瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度以及浸水馬歇爾穩(wěn)定度，并能顯著增強(qiáng)低溫條件下瀝青混合料的斷裂功，但對(duì)于單軸動(dòng)態(tài)模量以及高溫條件下瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度影響不大。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；瀝青混凝土；路用性能；阻裂效果

中圖分類號(hào)：U416.217" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.014

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0044-03

引言

我國(guó)道路普遍采用瀝青路面。瀝青作為一種膠結(jié)料，其性能隨著溫度的改變變化很大，在嚴(yán)寒環(huán)境下瀝青變冷脆，道路的低溫抗裂性受到影響［1-2］。

為了提升路面的低溫抗裂性能，目前普遍采用的方法為使用改性瀝青。改性瀝青相對(duì)于基質(zhì)瀝青低溫抗裂性能有很大提高，但是在自然環(huán)境下，改性劑會(huì)快速降解，導(dǎo)致瀝青路面后期服役性能衰減，對(duì)瀝青路面的長(zhǎng)期的低溫抗裂性能提升不大［3］。

纖維作為一種復(fù)合材料，被廣泛用于土木工程領(lǐng)域［4］，發(fā)揮其橋接作用［5］，能提升基體材料的韌性、抗彎拉性能并延緩基體材料裂縫的發(fā)展［6］。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)纖維在瀝青混凝土中增韌阻裂的效果進(jìn)行了研究評(píng)價(jià)［7］，但是都針對(duì)單一指標(biāo)，并且對(duì)加載全過程以及試件表面位移場(chǎng)研究較少，需要結(jié)合多指標(biāo)進(jìn)行研究。

本文在瀝青混凝土中加入玄武巖纖維，對(duì)劈裂強(qiáng)度、單軸動(dòng)態(tài)模量、浸水馬歇爾穩(wěn)定度以及半圓彎曲性能進(jìn)行測(cè)試，并通過DIC技術(shù)對(duì)荷載作用下纖維瀝青混凝土試件進(jìn)行了全時(shí)域監(jiān)測(cè)［8］，結(jié)合多指標(biāo)對(duì)纖維摻入瀝青混凝土性能的影響進(jìn)行全面探究。

1原材料及試驗(yàn)方案

1.1原材料

研究選用的原材料包括礦粉、70#基質(zhì)瀝青，購(gòu)于德嘉道路材料；玄武巖集料，購(gòu)于重慶頓吉礦產(chǎn)有限公司；玄武巖纖維，購(gòu)于常州巨貿(mào)新材料科技有限公司。原材料基本性能如表1～4所示。

1.2試件成型

設(shè)計(jì)AC-20型級(jí)配，并添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的玄武巖纖維，室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件以及旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件成型。通過鉆芯取樣，得到高度為150 mm、直徑為10 mm的試件。利用切割機(jī)將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件切割成厚度為5 mm的半圓試件，并設(shè)置深度為15 mm的預(yù)切縫。

2試驗(yàn)方案

通過劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)比選出最佳纖維摻量，之后測(cè)試未加入纖維以及最佳纖維試件在-15 ℃、-5 ℃、5 ℃、15 ℃、25 ℃以及35 ℃下材料的劈裂強(qiáng)度、單軸動(dòng)態(tài)模量，并進(jìn)行浸水馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試，最后在不同溫度下進(jìn)行SCB半圓試件彎曲試驗(yàn)，利用DIC技術(shù)對(duì)加載過程進(jìn)行全時(shí)域監(jiān)測(cè)。試件成型及技術(shù)路線如圖1所示。

2.1劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

將試件放入夾具，完成變形測(cè)定裝置的安裝；加載速率設(shè)置為50 mm/min，加載后設(shè)備的傳感器將記錄荷載與位移，并計(jì)算出劈裂抗拉強(qiáng)度，得出最佳纖維摻量。

2.2單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

將兩組試件置于恒溫箱，分別設(shè)置溫度為-15 ℃、-5 ℃、5 ℃、15 ℃、25 ℃以及35 ℃進(jìn)行恒溫處理后，利用UTM試驗(yàn)機(jī)施加大小為0.7 MPa，頻率分別為0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、5.0 Hz、10.0 Hz、25.0 Hz的荷載。通過試驗(yàn)，得到不同條件下試件的動(dòng)態(tài)模量。

2.3馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

首先將試件置于恒溫水槽處理30 min，后將其安裝在加載設(shè)備上，設(shè)置加載速率為50 mm/min，通過加載得到穩(wěn)定度（MS）。對(duì)試件進(jìn)行恒溫水浴處理48 h，按照同樣的步驟進(jìn)行測(cè)試，得到試件浸水殘留穩(wěn)定度（MS1），穩(wěn)定度（MS）與浸水殘留穩(wěn)定度（MS1）之比為馬歇爾浸水穩(wěn)定度（MS0）。

2.4基于數(shù)字散斑技術(shù)的SCB半圓彎曲試驗(yàn)

全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)能根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的追蹤對(duì)試件加載過程中表面的應(yīng)變場(chǎng)以及位移場(chǎng)進(jìn)行無接觸測(cè)量，通過變形前后目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)試件進(jìn)行全時(shí)域監(jiān)測(cè)。目標(biāo)點(diǎn)變形前后計(jì)算公式如下：

Cf，g（P）=∑Mx=-M∑My=-M（f（x，y）-fm∑Mx=-M∑M′y=-M′［f（x，y）-fm］2-

（g（x′，y′）-gm∑M′x=y-M′∑y=-M′∑g（x′，y）-gm2（1）

fm=∑Mx=-M∑My=-M［f（x，y）］2（2M+1）2（2）

gm=∑Mx=-M∑My=-M［g（x′，y′）］2（2M+1）2（3）

式中：f（x，y）、g（x′，y′）——變形前后源點(diǎn)與目標(biāo)子區(qū)域在子區(qū)域中的坐標(biāo)灰度值；

fm、gm——變形圖像中的全局平均值；

M——局部位移場(chǎng)中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的局部坐標(biāo)；

C——相關(guān)系數(shù)，取值0～1。

將兩組試件置于UTM萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載，并利用DIC系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置加載速率為50 mm/min，根據(jù)試驗(yàn)得到加載過程中荷載位移曲線，并計(jì)算出峰值荷載以及斷裂功，從而對(duì)纖維阻裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

選取試件下邊緣8個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，并進(jìn)行編號(hào)，分別探究其水平位移以及豎向位移。試驗(yàn)細(xì)節(jié)如圖2所示。

3結(jié)果與分析

3.1瀝青混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)，得到常溫下不同纖維摻量的瀝青混凝土試件劈裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，如表5所示。

由表5可知，纖維能提高瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度。當(dāng)纖維摻量在0～0.3%范圍內(nèi)增加時(shí)，劈裂強(qiáng)度上升。當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，劈裂強(qiáng)度變化較小；當(dāng)纖維摻量為0.5%時(shí)，瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度反而下降。

纖維能在混凝土中發(fā)揮橋接作用，從而提升瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度，纖維摻量過高容易產(chǎn)生結(jié)團(tuán)和離析，導(dǎo)致劈裂強(qiáng)度下降。綜合比較，確定其最佳摻量為0.3%。

對(duì)兩組試件不同溫度劈裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，溫度為15 ℃時(shí)劈裂強(qiáng)度最高。溫度過高，瀝青流變性能增加；溫度過低，瀝青容易脆斷。另外可以看到，溫度范圍內(nèi)纖維的摻入均對(duì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度有提升，對(duì)高溫和低溫提升效果更加顯著。

3.2瀝青混凝土單軸動(dòng)態(tài)模量結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)，得到兩組瀝青混凝土試件在不同溫度不同加載頻率下的單軸動(dòng)態(tài)模量，結(jié)果如下頁圖4所示。

由圖4可知，瀝青混凝土的單軸動(dòng)態(tài)模量隨著溫度的降低，加載頻率的增大而增大。分析認(rèn)為，溫度降低會(huì)使瀝青流動(dòng)性減弱，材料抵抗外界變形的能力增強(qiáng)，彈性模量增大。由荷載產(chǎn)生的響應(yīng)位移滯后于荷載本身，加載時(shí)瀝青混凝土的響應(yīng)位移未完全到達(dá)最大位移處，反方向的荷載開始作用于試件抵消原有位移，因此荷載頻率越高響應(yīng)位移越小，彈性模量越大。對(duì)比兩組試件，玄武巖纖維的加入對(duì)單軸動(dòng)態(tài)模量影響不大。

3.3瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)，得到兩組瀝青混凝土試件的MS、MS1與MS0，結(jié)果如下頁圖5所示。

由圖5可知，摻入纖維試件的馬歇爾穩(wěn)定度為12.5 kN，浸水馬歇爾穩(wěn)定度為10.2 kN，殘留穩(wěn)定度為83.1%；未摻入纖維試件的馬歇爾穩(wěn)定度為12.4 kN，浸水馬歇爾穩(wěn)定度為10.3 kN，殘留穩(wěn)定度為81.6%。兩組試件數(shù)據(jù)相差不大，可以認(rèn)為纖維的摻入對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度的影響不大。

3.4瀝青混凝土半圓試件彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)半圓試件加載過程中得到的荷載位移曲線，得到瀝青混凝土試件的峰值荷載以及斷裂功，結(jié)果如圖6所示。

將加載過程分為兩個(gè)階段：階段Ⅰ為裂縫萌生，荷載逐漸上升至峰值荷載；階段Ⅱ試件微觀裂縫逐漸集成貫通，生成宏觀裂縫并擴(kuò)展，試件承載能力下降。由圖6可知，未添加玄武巖纖維試件的峰值荷載為1.01 kN，斷裂功為2.45 J；加入纖維試件的峰值荷載為1.07 kN，斷裂功為4.32 J。纖維的加入延緩了試件裂縫的萌生以及擴(kuò)展，并提高了試件的承載能力。

3.5瀝青混凝土半圓試件水平方向位移分析

選取向左為正方向，對(duì)試件水平位移進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，階段Ⅰ試件表面幾乎不發(fā)生水平位移，達(dá)到峰值荷載后，裂縫擴(kuò)展，預(yù)切縫左端點(diǎn)向左移動(dòng)，右端點(diǎn)向右移動(dòng)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，未添加玄武巖纖維的試件在荷載位移7.7 mm時(shí)最大橫向位移為5 mm左右，添加玄武巖纖維的試件為3.5 mm左右，可以認(rèn)為纖維的添加減少了水平方向位移。

3.6瀝青混凝土半圓試件豎直方向位移分析

選取向下為正方向，對(duì)試件水平位移進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，階段Ⅰ試件表面豎向位移幾乎不發(fā)生。階段Ⅱ試件L1、R4向上移動(dòng)，其點(diǎn)向下移動(dòng)。兩組試件在荷載位移7.7mm時(shí)最大豎向位移分別為4mm左右以及3.2mm左右，纖維的加入同樣延緩了試件表面豎向位移。

4結(jié)語

本文在瀝青混凝土中加入玄武巖纖維，并探究其對(duì)瀝青混凝土試件劈裂強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)模量、馬歇爾穩(wěn)定度的影響，并利用DIC技術(shù)對(duì)SCB半圓試件的加載進(jìn)行了全時(shí)域監(jiān)測(cè)，結(jié)論如下：

（1）玄武巖纖維能提升瀝青混凝土的力學(xué)性能，對(duì)不同溫度下瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度提升較大，尤其對(duì)于低溫條件下瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度提升效果最明顯。

（2）通過試驗(yàn)對(duì)瀝青混凝土的單軸動(dòng)態(tài)模量以及馬歇爾穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)試，證實(shí)了玄武巖纖維的加入對(duì)瀝青混凝土試件的單軸動(dòng)態(tài)模量以及馬歇爾穩(wěn)定度影響不大。

（3）通過SCB半圓試件加載，結(jié)果表明纖維的摻入能提升試件的峰值荷載以及斷裂功，并通過DIC測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行分析，證實(shí)了纖維的摻入能延緩裂縫的發(fā)展，減緩荷載作用下試件表面位移。

參考文獻(xiàn)：

［1］舒華.高速公路瀝青路面早期病害的原因及養(yǎng)護(hù)措施［J］.黑龍江交通科技，2021，44（9）：78-80.

［2］張利冬.新舊瀝青砂漿組成與熱再生瀝青混合料路用性能相關(guān)性研究［D］.南京：東南大學(xué)，2014.

［3］許婷婷，顧興宇，倪富健.玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混凝土試驗(yàn)與性能研究［J］.交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2011，9（2）：115-121.

［4］李俊峰，李文凱，李正強(qiáng)，等.玄武巖纖維排水高黏瀝青混合料性能研究［J］.公路交通科技，2022，39（9）：1-8.

［5］閆景晨，鄭建龍，李寧寧.玄武巖纖維瀝青砂漿的抗裂性能研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2019，22（5）：800-804.

［6］徐剛，趙麗華，趙晶.玄武巖礦物纖維改善瀝青混合料性能研究［J］.公路，2011（6）：167-171.

［7］封基良，和昆，李俊鋒.聚合物增強(qiáng)纖維與瀝青及瀝青膠漿界面粘結(jié)性能研究［J］.中外公路，2011，31（6）：249-253.

［8］殷丹丹，常春清，王嵐，等.基于DIC技術(shù)分析老化前后溫拌膠粉改性瀝青混合料的開裂特性［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2021，35（24）：24088-24094.

作者簡(jiǎn)介：磨鳳敏（1990—），工程師，主要從事道路工程建造研究方面的工作。

收稿日期：2024-05-18