纖維增強瀝青混合料低溫性能及增強機理試驗

荀家正 封基良

摘 要：針對摻加不同材質、不同長度纖維材料增強的瀝青混合料應用MTS 810材料試驗機進行未切縫及預切縫三點低溫彎曲試驗，通過臨界應變能密度及應力強度因子方法評價低溫性能探討了纖維增強機理。結果表明：摻加纖維能有效阻滯裂紋的進一步發展，提高瀝青混合料的低溫抗裂能力，且隨纖維力學強度的增大及長度的適當增長，纖維的增強效果進一步改善。

關鍵詞：瀝青混合料；纖維；臨界應變能密度；應力強度因子

中圖分類號：U414 文獻標志碼：B

Experimental Study on Low Temperature Properties and Enhancement Mechanism of Fiber Reinforced Asphalt Mixture

XUN Jiazheng1， FENG Jiliang2

（1. Yunnan Sunny Road & Bridge Co. Ltd.， Kunming 650200， Yunnan， China； 2. School of Architectural

Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650214， Yunnan， China）

Abstract： Fibers with various lengths and strength were added to asphalt mixture to assess their effect on crack resistance， and threepoint bending tests were performed on unnotched and notched specimens with MTS 810 to study the crack propagation resistance with critical strain energy density and stress intensity factor at low temperature. The results show that while adding fiber to asphalt mixture can effectively improve its performance at low temperature and enhance the crack resistance， the enhancement could be even better following the increasing of mechanical strength of the fiber and its length.

Key words： asphalt mixture； fiber； critical strain energy density； stress intensity factor

0 引 言

寒冷季節溫度周期性變化產生的溫度應力及行車荷載作用產生的累積應力會使材料損傷導致路面產生開裂。在瀝青混合料中摻入纖維是一種提高混合料抗裂性能的手段，國內外對此開展了大量研究，并取得較大進展[1]；但關于纖維長度及纖維力學性能對纖維瀝青混合料（FRAM）阻裂作用的研究很少。本文采用臨界應變能密度及應力強度因子判斷纖維瀝青混合料的抗裂性能，研究纖維長度及纖維力學性能對混合料抗開裂及阻滯裂紋擴展能力的影響，為熱拌瀝青混合料用纖維的選擇提供借鑒。

1 原材料

試驗采用SBS改性瀝青，其性能指標見表1。碎石采用花崗巖，礦粉為石灰石，混合料級配為AC16C型。纖維采用廈門鑫富榮纖維有限公司生產的聚脂纖維及北京特希達科技有限公司提供的FORTA AR纖維，聚脂纖維的長度分別為3、6、15 mm，摻量均為2.5‰，FORTA AR纖維的摻量為045‰，長度為19 mm，纖維的基本性能如表2所示。

2 未切縫試件低溫試驗結果及分析

2.1 低溫三點彎曲試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》

2.2 低溫彎曲試驗結果

不同纖維長度的纖維瀝青混合料在-10 ℃下的三點彎曲試驗結果如圖1所示。

2.3 利用彎曲應變能密度評價混合料的低溫性能

中國《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）以瀝青混合料的破壞應變作為低溫性能控制指標。然而，瀝青混合料的強度和變形是路面結構的重要技術參數，在衡量瀝青混合料性質時僅考慮材料的強度參數或變形特性，對于評價瀝青混合料路用性能是不利的[4]。因此，有必要尋找一種反映強度和變形的綜合技術參數。

依據材料的損傷準則，材料的損傷過程包括裂縫的產生、亞臨界狀態增大及最后終止3個階段。假定材料的破壞形式與單位體積內的能量變化相對應，則材料的損傷可以用應變能密度函數dWdV表示，即

dWdV=∫ε00σijdεij（1）

式中：W為外力所作的功；V為體積；σij、εij分別為應力、應變分量；ε0為最大彎拉應力對應的應變值（以下簡稱臨界應變）。

dWdV的臨界值是斷裂時實際單軸應力應變關系曲線下的面積。材料在單向拉伸時可按式（1）計算臨界應變能密度，它反映了材料發生破壞所需的能量，其值越大，低溫性能越好。

根據實測應力應變曲線關系，發現瀝青混合料的應力應變關系可以用多項式擬合，即

σ=Akεk+Ak-1εk-1+…+A1ε+A0（2）

式中：σ為應力；ε為應變；Ak、Ak-1、…、A0為常數，與材料類型有關；k為擬合多項式的最高次項。本文采用三次多項式擬合，相關系數大于0.995，纖維瀝青混合料的臨界應變能計算結果如圖2所示。

2.4 結果分析

從圖1可知，纖維長度為6 mm的纖維瀝青混合料破壞應變最大，纖維長度為15 mm的纖維瀝青混合料次之，而摻加纖維長度為3 mm及19 mm的纖維瀝青混合料的彎拉破壞應變則均小于不摻纖維的瀝青混合料。若單純以彎拉應變作為控制指標，得出摻加19 mm長的FORTA AR纖維及摻加3 mm長的聚脂纖維使混合料低溫性能變差。但從試驗結果可以看出，摻入纖維后瀝青混合料的彎拉破壞強度均有不同幅度的提高，其中摻加19 mm長FORTA AR纖維的混合料強度提高的幅度最大，達292%，摻加3 mm長的聚脂纖維混合料強度提高121%。強度和變形是材料的2個重要技術參數，在衡量瀝青混合料的性質時僅考慮強度或變形，對混合料的路用性能評價是不利的，存在一定的局限性。

瀝青混合料強度隨纖維長度的增長而增大，表明纖維長度適當增長，瀝青混合料通過界面作用傳遞給纖維的作用力增大，有利于發揮纖維材料的特點，從而提高瀝青混合料的強度。摻量僅為0.45‰FORTA AR纖維的瀝青混合料強度增加效果最大，達292%，說明纖維本身的力學特性對瀝青混合料的影響很大。但由于FORTA AR纖維是由紡綸纖維與聚丙烯纖維按1∶3的比例組成，單絲纖維的數量較少，纖維間距較大，當加載速率較高時，對裂紋的阻滯作用較小，破壞彎曲應變反而變小，表現出脆性較大。

從圖2可知，摻加纖維的瀝青混合料臨界應變能均大于未摻纖維的瀝青混合料，其中摻加2.5‰的6 mm長聚脂纖維的瀝青混合料低溫性能改善幅度最大，達到50%，摻0.45‰的19 mmFORTA AR纖維的瀝青混合料臨界應變能也增加了16%。表明摻加增強纖維可有效提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。各類纖維瀝青混合料低溫抗裂性能優劣順序為：2.5‰6 mm聚脂纖維、2.5‰15 mm聚脂纖維、25‰3 mm聚脂纖維、0.45‰19 mmFORTA AR纖維、未摻纖維。

3 預切縫試件三點彎曲試驗結果分析

3.1 試件準備

預切縫小梁試件的尺寸與未切縫小梁試件一致，考慮到臨界應力強度因子是材料的性能指標，與裂縫深度沒有關系。本文選取的切縫深度為1 mm，切縫角約為20°，每組制備4個試件，用MTS 810材料試驗機進行小梁三點彎曲試驗，試驗溫度仍為-10 ℃，加載速率為50 mm·min-1。

3.2 斷裂韌性

纖維瀝青混合料的臨界斷裂強度因子可由試驗確定。對有預切縫的小梁彎曲試驗，應力強度的計算因子KIC可用L Monismith給出的公式計算[5]

3.3 結果分析

從表3的計算結果可以看出：摻加FORTA AR纖維的混合料臨界應力強度因子最大，較基質瀝青混合料增大14.97%；摻加聚脂纖維的瀝青混合料臨界應力強度因子也有增大，其中3、6、15 mm長的聚脂纖維混合料臨界應力強度因子增大的幅度分別為3.78%、6.24%及4.47%。纖維瀝青混合料應力強度因子隨纖維長度的增長有增大的趨勢，表明隨纖維長度的增加，基質瀝青混合料傳遞給纖維的作用力增大，增強作用更明顯。其中15 mm長聚脂纖維的增強效果比6 mm長聚脂纖維差，主要原因是纖維的分散性較差，纖維在15 mm長時，由于截面較小，在拌和過程中產生的靜電作用易使纖維纏繞在攪拌葉片上（圖3），分散性較差，從而影響了聚脂纖維對混合料性能的改善效果。從試驗結果看，若未能采取有效措施解決較長纖維的分散性問題，選擇6 mm長的纖維是合適的。

4 低溫性能改善機理

瀝青混合料出現韌性破壞的趨勢，主要表現在斷裂后裂紋迅速擴展貫穿整個試件，而纖維瀝青混合料則出現裂而不斷的現象。主要原因在于，當瀝青混合料基體發生開裂后，纖維的橋接作用仍可使混合料維持一定的承載能力。

4.1 纖維的阻裂機理

由于瀝青混合料內部存在缺陷或裂紋，在溫度應力及行車荷載作用下，裂縫尖端會產生應力集中，促使裂紋進一步擴展。當在瀝青混合料中摻入高抗拉強度、高模量的增強纖維后，因纖維的直徑很小、長度較短，數量眾多的纖維均勻分散后可形成三維網狀結構，對裂紋的擴展起到阻滯作用，約束裂紋或材料缺陷的進一步擴展，從而改善材料的低溫抗裂性能。纖維阻裂機理可基于線彈性斷裂力學原理的應力強度因子疊加法（簡稱K疊加法）分析[68]。按照K疊加法，纖維瀝青混合料中裂紋的應力強度因子可表示為

可見，在裂紋尖端穿過纖維的瞬間，纖維對裂紋的阻滯作用是巨大的。用疊加原理可得尖端穿過一系列纖維時產生的應力強度因子。這是纖維瀝青混合料在低溫三點彎曲試驗后可保持裂而不斷，而不加纖維的瀝青混合料則表現出明顯的脆性破壞的主要原因之一。

4.2 纖維的加筋機理

按照復合材料理論，纖維瀝青混合料的勁度模量Ec和抗拉強度σc為

由于纖維的強度和模量較瀝青混合料的強度和勁度模量高得多，所以纖維瀝青混合料的強度增加，纖維猶如給瀝青混合料“微加筋”，對瀝青混合料起增強作用。低溫彎曲試驗結果也表明了瀝青混合料摻入纖維后，強度和模量得到提高。但復合材料理論僅是一種理想狀態，纖維的增強作用不僅與纖維材料的性質有關，還與纖維在混合料中的分散情況、纖維與瀝青混合料的界面粘結、纖維的有效長度等密切相關；而纖維與瀝青混合料基體的界面粘結還與纖維的幾何特征、纖維與瀝青混合料的相容性有關。

4.3 纖維的增韌機理

眾所周知，瀝青混合料是一種粘彈性材料，高溫下變軟，低溫下變脆，在溫度應力及行車荷載的作用下會因抗變形能力不足而發生開裂。在瀝青混合料中摻入高抗拉強度及高模量的纖維，不僅可提高瀝青混合料基材的強度，還可增加混合料的變形能力，使材料具有很高的韌性。對纖維瀝青混合料而言，即使已出現裂紋，纖維的橋接作用仍可使材料繼續承受外載作用。韌性實際上表示材料在外載作用下吸收能量的能力，其含義是材料不僅應具有足夠的強度，還須具有良好的變形（包括彈性變形或粘性變形）能力，可用應力應變關系定量描述，通過常用材料的應力應變曲線所包圍的面積Ω表示，與應變能密度dWdV的計算方法相同[9]。

韌性的大小不僅取決于材料的強度，也取決于材料破壞時的變形性能。材料的強度高，若變形能力差，或變形能力好但強度低，其韌性都不會大，抗裂性能自然也不會好。選擇合適的纖維材料及摻量，可使混合料的強度增強，還會因發生多縫開裂模式，使變形能力提高，從而改善混合料的低溫性能。纖維瀝青混合料低溫性能應變能密度評價也證實了這一點。

4.4 纖維對瀝青混合料自愈能力的增強機理

由于瀝青混合料是粘彈性材料，路面具有應力松弛的能力，所產生的溫度應力會隨時間的延長逐漸松弛減小，乃至消失；因而不需像水泥混凝土路面一樣設置收縮縫[10]。瀝青混合料的這種自愈能力對路面的抗開裂能力及抗疲勞能力具有重要的影響。自愈過程的重要性已由Kim等應用應力波技術測量瀝青混凝土層歇息24 h前后的彈性模量驗證。彈性模量隨溫度的增加而減小，24 h間隔后的模量顯示出明顯的恢復，如圖4所示。

纖維瀝青混合料在受到拉伸的過程中，纖維可阻止裂紋的進一步擴展，對裂紋擴展起到阻滯作用，外界作用力存在時，纖維受到拉伸變形，外界作用消失后，將發生彈性回復，促使瀝青混合料恢復原來的形態，增強材料自愈能力，減小外力作用引起的損傷，從而改善材料的抗裂能力，提高低溫性能。

5 結 語

（1）摻加纖維可提高瀝青混合料的強度，強度提高的幅度與纖維的長度及纖維材料本身的力學特性相關。纖維的強度和模量愈高，增強效果愈好；適當增加纖維的長度有利于提高纖維的增強效果。

（2）摻6 mm長及15 mm長聚脂纖維的瀝青混合料的強度及破壞應變均增加，而摻045‰3 mm長的纖維使混合料彎拉破壞強度提高，但破壞應變較不摻纖維的瀝青混合料小。

（3）強度和變形是材料的2個重要參數，只以變形作為評價指標不全面，而臨界應變能密度是一種反映了材料的強度和變形的綜合性參數，可用于評價瀝青混合料的低溫性能。

（4）按臨界應變能密度評價纖維瀝青混合料低溫抗裂性能按優劣排序依次為：摻2.5‰6 mm聚脂纖維、摻25‰15 mm聚脂纖維、摻2.5‰3mm聚脂纖維、摻0.45‰19mmFORTA AR纖維、未摻纖維瀝青混合料。

（5）在瀝青混合料中摻入纖維后，纖維的橋接作用可有效改善混合料對裂紋擴展的阻滯作用，提高低溫抗裂性能。

（6）纖維阻裂作用的大小與纖維材料的力學強度及埋深有關，纖維的強度愈大，長度愈長，通過混合料基體傳遞給纖維的界面作用力愈大，阻裂性能越好。但纖維長度的選擇應保證纖維能在混合料中有效分散，否則會引起纖維成束，降低材料的利用率。

（7）試驗結果表明，選擇纖維長度為6 mm是合適的，在解決好纖維分散性的情況下，適當增長纖維的長度有利于充分發揮纖維的優良特性，提高混合料性能。

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[責任編輯：黨卓鈺]