短切柔性纖維對密實型瀝青混凝土斷裂特性的影響

郭慶林, 王紅雨, 高 穎, 楊邯超

(河北工程大學土木工程學院，邯鄲 056038)

瀝青混凝土路面以其優越的路用性能得到廣泛應用，而路面開裂一直是瀝青路面最大的危害之一。中外學者針對此問題進行了許多研究，其中通過摻入纖維來增加瀝青混凝土抗裂性已得到道路工程界的廣泛認可。纖維的首次引入是在20世紀60年代，加拿大多倫多大學Davis提出在瀝青混合料中摻入纖維材料以提高瀝青路面的抗反射裂縫性能。中國對纖維改性瀝青混合料的研究較晚，到20世紀90年代中期，隨著瀝青混合料路面結構的引入和纖維添加劑的出現，才逐漸走入人們的視線[1]。近年來，隨著試驗設備與方法的不斷完善更新，先進的試驗測試方法逐漸被用以研究纖維的增強效果。文月皎[2]選取玄武巖纖維、聚酯纖維和木質素纖維進行對比分析，考查三種纖維的力學性能、熱穩定性、吸濕性以及吸油性，結果表明玄武巖纖維的吸濕率最小，力學性能和熱穩定性優于聚酯纖維和木質素纖維。同時，玄武巖纖維的加入可以提高瀝青混合料的低溫抗裂性能，玄武巖纖維的最佳摻量為0.4%。Cuo等[3]證明玻璃纖維解決了硅藻土改性瀝青混合料在低溫變形性能方面的不足。高丹盈等[4]通過外摻聚酯纖維和玄武巖纖維對瀝青混合料進行改性處理，研究認為溫度是影響瀝青混凝土劈裂性能的主要外部因素；纖維長徑比和摻量對間接拉伸性能的影響與溫度有關。張文浩等[5]基于半圓抗拉試驗，采用抗拉強度、斷裂能指標評價路面各結構層的抗裂性能，結果表明半圓彎曲試驗可有效評價混合料的抗裂性能，同時混合料抗裂性能受瀝青膠結料性能和交通荷載的影響較大。劉宇等[6]采用半圓抗拉和間接拉伸兩種試驗方法對密實型瀝青混合料的抗裂效果進行了系統研究，結果表明半圓抗拉試驗更適合于評價瀝青混合料的抗拉性能。周若來等[7]為對SMA-16和AC-16兩種混合料進行了間接拉伸、小梁彎曲和開口半圓抗拉試驗，對比了不同試驗方法的穩定性和混合料抗裂性能差異，結果表明極限破壞應變、應變能和斷裂能指標更適用于評價瀝青混合料的抗裂性能。

近年來，數字圖像散斑技術作為一種新型的光學無損測量方法，逐漸被道路工程界用來探究瀝青混合料的受力變形機理。晏永等[8]通過小梁三點彎曲實驗，應用數字圖像相關方法來研究鋼橋面鋪裝中瀝青混合料斷裂特性及裂紋擴展規律。Tan等[9]采用數字圖像散斑技術對間接拉伸過程中的變形特性進行了測試，發現該技術對于準確研究瀝青混合料的斷裂特性非常有用。邢超[10]采用數字散斑方法分析間接拉伸、三點彎曲試驗、單邊開口梁彎曲應變場，研究了不同破壞模式下應變場變化規律。王嵐等[11]對鹽溶液和水溶液凍融循環后瀝青混合料進行了半圓抗拉試驗，結論表明數字圖像散斑技術的分析結果與斷裂韌性分析結果一致，采用數字圖像散斑技術評價瀝青混合料的抗裂性能是可行的。

從以上分析可以看出，纖維對增強瀝青混合料的抗裂性具有至關重要的作用，而以往的研究主要集中在纖維改性瀝青混合料整體力學性能方面的研究，對纖維的阻裂機理缺乏系統認識。與此同時，數字圖像散斑技術的推廣應用為瀝青混合料抗裂性的研究提供了有效的測試手段。因此，選取常用的玻璃纖維和玄武巖纖維為研究對象，進行半圓抗拉試驗。進而分析不同纖維對瀝青混合料的改性加筋效果。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料性能指標

試驗所用瀝青為AH-70#道路石油瀝青，其基本性能如表1所示。所選玻璃纖維及玄武巖纖維的物理性能如表2所示，纖維摻量為0.5%?；旌狭霞壟錇锳C-13型密實級配，級配數據如圖1所示。根據馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.6%。

表1 AH-70#瀝青技術性能

表2 纖維物理性能

圖1 試驗級配曲線

1.2 試驗測試方法

采用重型擊實法在實驗室制備Ф152.4 mm×95.3 mm大型馬歇爾試件，試件空隙率為4.2%，表觀密度為2.424 g/cm3，并沿中心軸切割成1/4半圓試件，半圓試件厚度為(42±3)mm，為較好地誘導裂縫開裂路徑，底邊中點預切口深度為1 cm。試驗過程如圖2所示，試件底部由兩根圓輥支撐，支撐間距為100 mm。由萬能試驗機采取控制加載，以1 mm/min的速率施加荷載，試驗溫度為20 ℃，同時將工業相機連接至電腦，以2 s/flag的采集頻率采集加載過程的圖像，后期對采集的數字圖像進行數字圖像相關分析，獲得全場實時應變及位移，采用開源數字圖像相關分析軟件Ncorr進行散斑圖像相關分析[12]。

圖2 半圓抗拉試驗

2 試驗結果與分析

2.1 纖維對抗拉強度、應變及模量的影響

最大抗拉強度及最大抗拉應變是半圓抗拉試驗的重要指標，Huang等[13]對支撐間距為(2/3)D的半圓抗拉試件做出了研究，表明應使用式(1)來計算最大抗拉強度：

(1)

式(1)中：σt為試件底部最大抗拉強度，MPa；P為試件荷載，N；D為試件的直徑，mm；t為試件厚度，mm。考慮到裂縫引起的應力集中效應，采用有限元方法對帶裂縫半圓抗拉試件最大抗拉應力進行了計算分析，并對式(1)進行了修正，得到式(2)：

(2)

采用數字圖像散斑技術對裂縫尖端附近50 mm范圍內的拉伸應變進行了統計分析，如圖3所示。

圖3 抗拉應變及裂縫縫嘴張開位移采集示意圖

基于最大抗拉應力和抗拉應變，分析混合料的彈性模量變化情況，模量按照式(3)計算。

(3)

式(3)中：εl=50為試件裂隙尖端附近50 mm最大抗拉應變；E為試件的彈性模量，MPa。

由式(2)計算得到的不同纖維瀝青混凝土的抗拉強度如圖4所示。由圖4可以看出，加入玻璃纖維之后，試件的抗拉強度均有明顯的提高，且提高幅度隨著纖維長度的增加而增加。而玄武巖纖維只有當長度為6 mm時，試件的抗拉強度有小幅度的增加，其他長度均會降低試件的抗拉強度。其中，摻入玻璃纖維12 mm的瀝青混凝土抗拉強度最高，與基質瀝青混凝土相比，約提高了33%，摻入玄武巖纖維6 mm的瀝青混凝土抗拉強度約提高了15%。而對于12、20 mm的玄武巖纖維改性瀝青混凝土，其強度約降低了20%?？估瓚冏兓幝扇鐖D5所示。

圖4 不同纖維瀝青混凝土的抗拉強度

圖5 不同纖維瀝青混凝土的極限拉伸應變

由圖5可以看出，與基質瀝青混凝土相比，加纖維的試件抗拉應變均有不同程度的提高，說明短切纖維有效提高了瀝青混凝土的破壞延性，從而達到抑制裂縫開裂的目的。其中，抗拉應變提高幅度最大的為玄武巖纖維12 mm，其次是玻璃纖維6 mm，二者均有一個較為明顯的增加，對于12 mm玻璃纖維及6 mm玄武巖纖維，破壞應變雖略有提高，但基本無變化。由此可見，從提高瀝青混凝土延性角度出發，12 mm 玄武巖纖維可以作為最佳選擇。如果以破壞強度及破壞應變綜合考慮，則6 mm玻璃纖維為最優選擇，這樣既可以保證改性后瀝青混凝土的強度又可顯著提高其延性。模量變化規律如圖6所示。

圖6 不同纖維瀝青混凝土的模量

圖6顯示了不同纖維改性瀝青混凝土的模量差異，由圖6可以看出，加入纖維后瀝青混凝土的模量發生了波動，對比不同長度的纖維可以看出，纖維長度越長，波動程度越大。為保證改性后瀝青混凝土材料性質的均勻性，建議采用長度為6 mm的纖維對瀝青混凝土進行改性，不僅能保證改性后瀝青混合料強度和延性，同時還能控制瀝青混合料因拌和攤鋪導致的離散性。

2.2 裂縫開展規律分析

裂縫縫嘴位置張開位移(CMOD)，可以衡量裂縫張開程度。采用數字圖像散斑技術對CMOD進行實時測試，結果如圖7所示。

圖7 荷載-CMOD關系曲線

從圖7可以看出，當荷載達到峰值時，纖維瀝青混凝土的CMOD明顯高于基質瀝青混凝土的，同時從峰后荷載-CMOD曲線可以看出，纖維瀝青混凝土具有更高的峰后持荷能力，說明纖維有效提高了瀝青混凝土的延性及峰后承載能力，纖維有效抑制了承載過程中裂縫的發展，起到了應有的阻裂作用。對比不同纖維的荷載-CMOD曲線可以發現，玻纖改性瀝青混凝土不但提高了彎曲破壞荷載同時也具有更高的峰后承載能力。玄武巖纖維改性瀝青混凝土的極限承載力隨纖維長度的增長而降低，但峰后承載能力卻明顯高于基質瀝青混凝土。由此不難看出，纖維不但可以提高瀝青混凝土的延性，而且可以有效提高瀝青混凝土的峰后承載能力，或者說在瀝青混凝土開裂后仍能保持較高的承載力。

2.3 臨界斷裂能及斷裂韌性分析

為了從能量的角度分析纖維對瀝青混凝土的加筋效果，以臨界斷裂能作為評價指標進行分析。臨界斷裂能按照式(4)計算得到。

(4)

式(4)中：GF為臨界斷裂能，J/m2；W為荷載位移曲線下的面積，J；B為試件厚度，mm；R為試件半徑，mm；a為預切口長度，mm；A為斷裂面積，mm2。

實驗證明，對同一材料的不同構件，若以同一種開裂形式加載，且處于同一種應力狀態下，那么它們斷裂時的應力強度因子是相同的，這一值是一種臨界值，這一處于平面應變狀態下的臨界值被稱為KIC。斷裂準則可以表示為：當裂紋尖端應力強度因子達到某一臨界值KIC時，裂紋發生失穩擴展，臨界值KIC稱為材料的斷裂韌性[14-15]。它表征材料阻止裂紋失穩擴展的能力，是材料的一種韌性指標，是反應材料性能的一個參量。

(5)

(6)

式中：KIC為試件的斷裂韌性，N/mm1.5；σmax為試件最大抗拉強度，N/mm2；w為試件寬度，mm。

臨界斷裂能變化規律如圖8所示，斷裂韌性變化規律如圖9所示。

圖8 不同纖維瀝青混凝土的臨界斷裂能

由圖8可以看出，加入纖維之后，所有試件的臨界斷裂能都有不同程度的提高，其中玻璃纖維改性瀝青混凝土的臨界斷裂能最高，提高了約50%。玄武巖纖維改性瀝青混凝土的臨界斷裂能雖有提高，但提高幅度有限，僅為2%～20%。說明纖維種類對改性后瀝青混凝土的斷裂能量具有顯著影響。從斷裂能量角度考量，表明玻璃纖維的改性效果要優于玄武巖纖維，同時還可以看出玻璃纖維的長度對臨界斷裂能的影響不明顯。

由圖9可以看出，玻璃纖維改性瀝青混凝土的斷裂韌性有明顯提高，玄武巖纖維在長度較短時(6 mm)對提高瀝青混凝土的斷裂韌性具有較好的效果，當長度大于12 mm后會降低改性后瀝青混凝土的斷裂韌性。說明玻璃纖維改性瀝青混凝土發生裂縫失穩擴展的臨界值更高，具有更強的抗裂能力。從斷裂韌性角度來看，短切柔性纖維的最大長度不宜超過12 mm。

3 結論

利用半圓抗拉試驗探討了玻璃纖維和玄武巖纖維對瀝青混凝土開裂特性的影響規律，得出以下結論。

(1)玻璃纖維和玄武巖纖維能顯著提高瀝青混凝土的極限抗拉強度和極限破壞應變，但當纖維長度超過12 mm后，雖纖維能改善瀝青混凝土延性但會導致強度的顯著衰減。

(2)纖維改性瀝青混凝土具有更高的峰后持荷能力，纖維改性瀝青混凝土在開裂后仍能保持較高的承載力。玻璃纖維改性瀝青混凝土具有更高的臨界斷裂能與斷裂韌性，若以斷裂韌性作為纖維優選指標，建議短切纖維長度不宜超過12 mm。綜合各方面指標以后，建議工程應用中采用長度不超12 mm的短切纖維。