聚酯纖維對透水瀝青混凝土沖擊壓縮性能的影響*

吳金榮，馬芹永

(安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001)

聚酯纖維對透水瀝青混凝土沖擊壓縮性能的影響*

吳金榮，馬芹永

(安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001)

為研究聚酯纖維對透水瀝青混凝土沖擊壓縮性能的影響，采用?74 mm鋼質(zhì)分離式霍普金森壓桿裝置對摻雜不同質(zhì)量分數(shù)的聚酯纖維透水瀝青混凝土進行沖擊壓縮實驗。在靜態(tài)和4個應變率下的實驗結果表明，透水聚酯纖維瀝青混凝土是應變率敏感性材料，具有較強應變率效應。透水聚酯纖維瀝青混凝土具有較好的延展性，動態(tài)應力應變曲線分為3個階段：彈性變形階段、塑性變形階段和破壞階段。當應變率相同時，隨著摻雜聚酯纖維質(zhì)量分數(shù)的增大，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強度呈現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律，摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分數(shù)為0.40%時，沖擊抗壓強度達到最大。沖擊抗壓強度約為靜態(tài)抗壓強度的8～13倍。

固體力學；沖擊壓縮性能；抗壓強度；應變率效應；SHPB；聚酯纖維；透水瀝青混凝土

隨著交通運輸事業(yè)的快速發(fā)展，瀝青路面在充分發(fā)揮表面平整、行車舒適、噪音小、無揚塵等優(yōu)點的同時，也暴露出一些問題。普通瀝青路面是不透水的，雨雪天路面積水無法及時排除，使路面抗滑性能下降，交通事故頻發(fā)，嚴重影響了行車安全。而采用透水瀝青路面能有效解決上述問題。

目前，對透水瀝青路面的研究主要集中在材料結構組成設計和靜態(tài)性能方面。R.B.Mallick等[1]對開級配瀝青磨耗層(open graded friction course, OGFC)在原材料、配合比設計方法和面層厚度等方面進行了改進。P.Herrington等[2]對肯塔堡飛散實驗(馬歇爾試件在洛杉磯實驗機內(nèi)旋轉(zhuǎn)撞擊規(guī)定次數(shù)后，散落混合料的質(zhì)量分數(shù))進行了改進，增加加速老化的過程，研究了透水瀝青路面的耐久性問題。為了解決透水瀝青路面強度不高的問題，B.Simon等[3]將水泥摻加到透水瀝青混合料中，使用效果較好，滿足了強度和透水的雙重功效。國內(nèi)學者也進行了大量的實驗，得到了一些有價值的研究成果[4-8]：不同改性瀝青類型對透水瀝青路面的性能有著不同的影響，應區(qū)別對待；采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段聚合物(styrene-butadiene-styrene，SBS)改性瀝青摻加纖維來代替TAFPACK-super(TPS)高粘度改性瀝青，或采用環(huán)氧改性瀝青混合料，均能滿足透水瀝青路面的各項指標要求；透水瀝青混合料中可以摻加水泥、消石灰、生石灰等不同種類的填料，以取代部分礦粉，能夠改善其水穩(wěn)性。而透水瀝青路面動態(tài)性能方面的研究很少。

本文中實驗采用的透水瀝青混凝土摻雜了不同質(zhì)量分數(shù)聚酯纖維配制而成，并采用?74 mm鋼質(zhì)SHPB裝置進行沖擊壓縮實驗，得到摻雜不同質(zhì)量分數(shù)聚酯纖維和應變率對透水瀝青混凝土材料沖擊壓縮性能的影響及變化規(guī)律，可為透水瀝青路面的推廣應用提供理論依據(jù)。

1 實驗材料與試件成形

實驗采用細粒式PAC-13型透水瀝青混凝土，通過不同篩孔口徑16.000、13.200、9.500、4.750、2.360、1.180、0.600、0.300、0.150和0.075 mm的質(zhì)量分數(shù)分別為100.0%、95.0%、65.0%、15.0%、12.0%、12.0%、9.5%、7.5%、5.5%和4.0%。填料為石灰?guī)r磨細礦粉，摻雜的質(zhì)量分數(shù)為4%。瀝青為SBS改性瀝青，其針入度(25 ℃，100 g，5 s)為4.81 mm，延度(25 ℃，5 cm/min)大于100 cm，軟化點為81.5 ℃，25 ℃時的相對密度為1.043。

根據(jù)規(guī)范要求，摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分數(shù)至少為0.30%。實驗時，摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分數(shù)分別為0.30%、0.35%、0.40%、0.45%和0.50%，由于聚酯纖維具有一定的吸油性，摻雜的質(zhì)量分數(shù)越大，對應的瀝青最佳用量越大，因此通過析漏實驗和馬歇爾實驗[9]綜合確定瀝青的最佳用量分別為5.00%、5.05%、5.10%、5.15%和5.20%。

試件為?70 mm×35 mm的圓柱體，符合SHPB實驗中試件長徑比為0.5的要求[10]，由千斤頂配合反力架采用靜壓法成形。

2 實驗設計

SHPB技術被廣泛用于材料動力學性能的研究[11]，其工作原理是通過壓縮氣體達到一定的氣壓作用于撞擊桿，使撞擊桿撞擊入射桿產(chǎn)生應力波，當應力波到達試件時，一部分被反射，另一部分通過試件傳遞給透射桿，通過粘貼在入射桿和透射桿上的應變片采集應力波信號，以此獲得材料的動力學性能參數(shù)，如應變率、應變和應力等。

實驗采用?74 mm鋼質(zhì)SHPB裝置實施單軸沖擊壓縮實驗。撞擊桿、入射桿和透射桿的長度分別為600、2 400和2 000 mm。由于透水瀝青混凝土波阻抗相對較低，透射信號非常微弱，采用靈敏系數(shù)110的半導體應變片進行采集；入射信號采用普通箔式應變片進行采集。試件的兩端涂抹凡士林作為耦合劑，減小慣性效應和摩擦效應。

圖1 整形后典型波形Fig.1 Typical wave after shaping

在SHPB實驗中，只要加載波在試件內(nèi)部來回反射2次以上，就能滿足試件內(nèi)部的應力均勻性要求[12]。應力波在透水瀝青混凝土試件中來回反射2次所需的入射脈沖前沿升時至少應為47 μs，才能保證試件內(nèi)部達到應力、應變的均勻狀態(tài)。未整形前，入射脈沖前沿升時約為50 μs，即便是很薄的試件，也不能達到應力均勻。采用凡士林對入射脈沖進行整形后，波形得到明顯改善，入射脈沖前沿升時可達100 μs，足夠應力脈沖在試件內(nèi)部來回反射2次，有利于試件在加載過程中的應力均勻。同時，波形平滑、震蕩明顯減少，達到峰值后變化也比較平緩，整形后典型的入射波、反射波和透射波如圖1所示。

3 SHPB實驗結果與討論

3.1 SHPB實驗結果

沖擊壓縮實驗前，進行了同尺寸透水瀝青混凝土試件的靜態(tài)單軸壓縮實驗，獲得了試件的靜態(tài)抗壓強度。摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分數(shù)分別為0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%時，靜態(tài)抗壓強度分別為3.84、4.30、4.52、3.35、3.21 MPa。通過多次試打確定平均應變率分別為80、90、100和120 s-1。實驗數(shù)據(jù)采用二波法[13]進行處理，試件的應變率、應變和應力分別為：

(1)

(2)

(3)

圖2(a) 摻雜質(zhì)量分數(shù)0.30%聚酯纖維的透水瀝青混凝土動態(tài)響應曲線Fig.2(a) Dynamic response of permeable asphalt concrete contained polyester fiber with mass fraction of 0.30%

圖2(b) 摻雜質(zhì)量分數(shù)0.35%聚酯纖維的透水瀝青混凝土動態(tài)響應曲線Fig.2(b) Dynamic response of permeable asphalt concrete contained polyester fiber with mass fraction of 0.35%

圖2(c) 摻雜質(zhì)量分數(shù)0.40%聚酯纖維的透水瀝青混凝土動態(tài)響應曲線Fig.2(c) Dynamic response of permeable asphalt concrete contained polyester fiber with mass fraction of 0.40%

圖2(d) 摻雜質(zhì)量分數(shù)0.45%聚酯纖維的透水瀝青混凝土動態(tài)響應曲線Fig.2(d) Dynamic response of permeable asphalt concrete contained polyester fiber with mass fraction of 0.45%

圖2(e) 摻雜質(zhì)量分數(shù)0.50%聚酯纖維的透水瀝青混凝土動態(tài)響應曲線Fig.2(e) Dynamic response of permeable asphalt concrete contained polyester fiber with mass fraction of 0.50%

由圖2可知,沖擊抗壓強度是指瀝青混凝土試件在承受外界沖擊壓縮荷載時所能達到的最大應力值，用來反映瀝青混凝土抵抗沖擊破壞的能力[14]。當摻雜聚酯纖維質(zhì)量分數(shù)相同時，沖擊抗壓強度與靜態(tài)抗壓強度的比值隨著應變率的增大而升高，應變率80、90、100和120 s-1的峰值應力分別約是靜態(tài)下的8、9、11和13倍。

3.2 SHPB實驗結果分析

3.2.1 聚酯纖維對動態(tài)應力應變曲線影響

由圖2可以看出，透水瀝青混凝土動態(tài)應力應變曲線分為3個階段，即彈性變形階段(見圖2中的OA1、OA2、OA3、OA4)、塑性變形階段(即空隙壓密階段，見圖2中的A1B1、A2B2、A3B3、A4B4)和破壞階段(見圖2中的B1C1、B2C2、B3C3、B4C4)。由于 初期施加的沖擊荷載較小，應力與應變近似呈線性規(guī)律變化，處于彈性變形階段。隨著沖擊荷載的不斷增加，應力與應變不再服從線性規(guī)律，由彈性過渡到塑性。由于其具有18%～25%的空隙率，在沖擊荷載作用下，空隙被逐漸排除，試件逐漸被壓密，表現(xiàn)出明顯的延展性。當沖擊荷載繼續(xù)增加時，試件逐漸達到密實狀態(tài)，應力達到極限值，隨后動態(tài)應力應變曲線急轉(zhuǎn)直下[15]。在同一應變率下，隨著摻雜聚酯纖維質(zhì)量分數(shù)的不斷增大，透水瀝青混凝土的彈性變形不斷增大，塑性變形不斷減小；當摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分數(shù)為0.40%時，彈性變形達到最大，塑性變形最小；當摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分數(shù)超過0.40%并繼續(xù)增大時，彈性變形急劇減小，塑性變形增大。這種變化規(guī)律也表現(xiàn)在動態(tài)應力應變曲線上。

由圖2可以看出，當摻雜聚酯纖維質(zhì)量分數(shù)相同時，應變率由80 s-1逐漸增大至120 s-1時，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強度逐漸提高。一方面，透水瀝青混凝土具有較大的空隙率，空隙內(nèi)部存在大量微裂紋。裂紋擴展需要的能量要比其產(chǎn)生的能量小很多[16]。在沖擊荷載的短時作用下，材料沒有足夠的時間積聚能量，只能通過增加應力的途徑來抵消外部能量。另一方面，試件尺寸較大，沖擊荷載使試件內(nèi)部，特別是中心處，已不是一維應力狀態(tài)，慣性作用制約了試件側向應變，而且應變率越高，制約作用越大，使試件近似處于圍壓作用[17]。因此，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強度隨著應變率的增大而提高。試件的破壞形態(tài)有壓縮、裂縫、塊裂和碎裂，如圖3所示。

圖3 透水瀝青混凝土破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of permeable asphalt concrete

圖4 透水瀝青混凝土沖擊抗壓強度與摻雜聚酯纖維質(zhì)量分數(shù)的關系Fig.4 Relation between dynamic compressive strength and polyester fiber mass fraction

3.2.2 聚酯纖維對沖擊抗壓強度影響

在同一應變率條件下，隨著摻雜聚酯纖維質(zhì)量分數(shù)的增大，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強度呈現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律，說明聚酯纖維摻量存在合理值，如圖4所示。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于在透水瀝青混凝土中摻加聚酯纖維，當摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分數(shù)不超過0.40%時，聚酯纖維分散性較好，能夠吸附瀝青中的飽和烴和芳香烴，使瀝青黏性增強，起到加筋和橋接的作用[18]，導致瀝青與集料間的粘聚力增大，使沖擊抗壓強度得到提高。當摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分數(shù)超過0.40%并繼續(xù)增大時，由于摻加的聚酯纖維過多，無法均勻分散，產(chǎn)生結團現(xiàn)象，影響其加筋和橋接作用的發(fā)揮，使沖擊抗壓強度反而降低。0.40%為最合理的摻量，此時聚酯纖維的加筋和橋接作用最強，沖擊抗壓強度也最大。

4 結 論

采用?74 mm鋼質(zhì)SHPB裝置對透水瀝青混凝土進行了摻雜不同質(zhì)量分數(shù)聚酯纖維和不同應變率的沖擊壓縮實驗，得到的主要結論有：

(1)透水聚酯纖維瀝青混凝土是應變率敏感性材料，具有較好的延展性，動態(tài)應力應變曲線分為彈性、塑性和破壞3個階段。

(2)當應變率相同時，隨著摻雜聚酯纖維質(zhì)量分數(shù)的增大，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強度呈現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律，摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分數(shù)為0.40%時，沖擊抗壓強度達到最大值。

(3)應變率80、90、100和120 s-1的沖擊抗壓強度分別約是靜態(tài)抗壓強度的8、9、11和13倍。

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(責任編輯 王易難)

Influence of polyester fiber on impact compressive characteristics of permeable asphalt concrete

Wu Jinrong, Ma Qinyong

(MOEResearchCenterofMineUndergroundEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,Anhui,China)

In order to investigate the influence of polyester fiber on impact characteristics of permeable asphalt concrete, ?74 mm steel SHPB apparatus is adopted to conduct impact compressive test with various strain rates and different polyester fiber contents. The results of specimens under static condition and dynamic conditions with four strain rates show that the permeable polyester fiber asphalt concrete is a material sensitive to the change of the strain rate and exhibits a significant strain rate effect. It has good ductility and dynamic stress-strain curve that is characterized by three stages: Elastic deformation, plastic deformation and failure. When the strain rate remains the same, the impact compressive strength of permeable asphalt concrete first increases and then declines with the increase of the polyester fiber content. At this time it shows an optimum polyester fiber content of 0.40% and its impact compressive strength reaches its maximum. The impact compressive strength is about 8-13 times as large as the static compressive strength.

solid mechanics; impact compressive characteristics; compressive strength; strain rate effect; SHPB; polyester fiber; permeable asphalt concrete

10.11883/1001-1455(2016)02-0279-06

2014-08-13；

安徽省高校省級自然科學研究項目(KJ2013A082)

吳金榮(1977— )，女，博士，副教授，wujr2000@163.com。

O347.3 國標學科代碼： 13015

A

修回日期： 2014-11-10