含玻璃纖維的瀝青混凝土抗裂性能的評價*

劉朋飛，郭慶林

（河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲 056038）

瀝青路面的開裂是一種常見的破壞形式,不僅會使水滲入到路面結構內部,加速瀝青路面的破壞,同時會影響行車的舒適度和安全性。因此控制瀝青路面的開裂十分必要,研究人員根據裂紋面的受力情況和斷裂特征將裂紋分為三種類型[1]：I 型(張開型）、II 型(滑開型）、III 型(撕開型）,單純的溫度變化所引起的開裂屬于I型斷裂模式,行車荷載和溫度所引起的開裂屬于I/II 型混合斷裂模式。

眾所周知,纖維的加入可以改變瀝青混合料的抗裂性能,提高瀝青混合料的低溫延性,而目前纖維種類眾多,常用的有聚酯纖維、木質纖維、玻璃纖維等。由于其良好的界面浸潤性,玻璃纖維能與瀝青膠漿粘結強度高,是一種良好的增韌纖維[2]。和燕超等[3]分析了玻璃纖維對瀝青混合料的路用性能影響,結果表明玻璃纖維可以顯著增強瀝青混合料的路用性能,沈楸等[4]則指出玻璃纖維可以提高熱拌瀝青混合料的穩定性,且最佳含量宜為0.2%。以上研究表明,玻璃纖維增強瀝青混合料正引起越來越多的關注,而且玻璃纖維的增強效果好于其他纖維。

在瀝青混合料抗裂性評價方面,通常采用預制切縫小梁彎曲試驗[4-5]、間接拉伸試驗[6-7]及半圓彎曲試驗(SCB)[8-10]來研究斷裂模式。在這些方法中,SCB 由于試件制作簡單,可通過調整支撐和切縫的位置實現對不同斷裂模式(I 型、II 型和I/II 型）的分析,在瀝青混合料斷裂力學分析中得到了廣泛應用。Lim 等[11]通過有限元方法計算了半圓彎拉試驗中各種幾何尺寸下的應力強度因子， 指出隨著支座間距的減小或裂縫角度和長度的增加,開裂模式逐漸從I 型轉化成II 型。S.Pirmohammad等[12]研究了瀝青混凝土在不同加載模式和溫度下的抗斷裂性能,隨著溫度的降低,不同加載模式下的臨界應力強度因子都會增加,但在-20℃時達到最大。通過提高剪切荷載的比例或通過降低Me,瀝青混合料的抗斷裂性能(Keff）先減小后增加。Mansourian 等[13]調查了黃麻纖維含量對瀝青混合料斷裂模式的影響,結果表明臨界應力強度因子隨著溫度的降低而增加,黃麻纖維改善了模式I 和混合模式I/II(Me= 0.5）的抗斷裂性能,在模式II 和混合模式I/II(Me=0.2）時抗斷裂性能沒有改善,說明黃麻纖維對瀝青混合料不同斷裂性能的改善效果是不一樣的。

綜合以上兩方面分析看出,雖然玻璃纖維對增強瀝青混合料的抗裂性具有積極作用,但并不一定對所有開裂模式都具有增強作用(比如黃麻纖維）。對玻璃纖維在不同斷裂模式下的增韌效果進行分析是十分必要的。而半圓彎拉試驗則非常適合對斷裂模式進行測定。因此,本文通過研究玻璃纖維增強瀝青混合料的制備方法,制備玻璃纖維增強瀝青混合料及半圓彎拉試件,利用萬能試驗機進行了非對稱半圓彎拉試驗,從而分析玻璃纖維瀝青混合料在中溫和低溫狀態下的斷裂性能。

1 原材料

1.1 瀝青和級配

本文實驗所用的瀝青為茂名石化工業生產的AH-70# 路面石油瀝青,其基本性能見表1。表2 為所選用的集料的基本性質。根據JTG F40-2004 中推薦的級配范圍,選用AC-13 級配作為本試驗級配,級配曲線如圖1 所示。

表1 AH-70# 瀝青主要技術性能指標Table 1 Main technical performance indicators of AH-70# asphalt

表2 集料的基本性質Table 2 Basic properties of aggregates

圖1 AC-13 級配曲線Fig.1 Gradation curve of AC-13

1.2 玻璃纖維

如圖2 所示,試驗選用長度為12mm 的玻璃纖維。玻璃纖維的基本性質見表3。

圖2 玻璃纖維Fig.2 Glass fibre

表3 玻璃纖維的物理性質Table 3 Physical properties of glass fiber

2 試驗

2.1 玻璃纖維瀝青混凝土的準備方法

首先,對集料、礦粉、玻璃纖維進行稱重,并在160℃的烘箱中放置6h,瀝青在160℃的烘箱中放置3h即可,避免瀝青老化。之后把集料放入拌合機中進行攪拌,拌合機的溫度控制在160℃。然后放入瀝青充分攪拌,使瀝青均勻地分布在集料上。之后加入一半的纖維進行第一次攪拌,攪拌結束后加入礦粉進行第二次攪拌,最后加入剩余的纖維進行第三次攪拌。這樣做的目的是確保纖維均勻分布在瀝青混合料中。再將攪拌均勻的瀝青混合料放入擊實儀試模中擊實,根據JTG E20-2011[14],馬歇爾試件兩面各擊實112 次。將放置24h 以上的試件進行脫模,之后把尺寸為152.4mm×95.3mm 的馬歇爾試件切割成4 個SCB 試件， 切割后的SCB 試件的物理性質見表4。

表4 不同類型SCB 試件的物理性質Table 4 Physical properties of different types of SCB specimens

2.2 SCB 試驗

參照非對稱半圓彎拉試驗的試驗模式,對半圓試件進行切縫處理,裂縫深度為20mm,切割后裂縫寬度為5mm。切割完成后,將半圓試件放入40℃烘箱內烘干24h,然后將SCB 試件分別放入-10℃和20℃的保溫箱中保溫24h,利用萬能試驗機進行半圓彎拉試驗,加載位移速率設置為1mm/min,試驗過程中,實時記錄荷載與跨中底部豎向位移。試驗過程如圖3 所示。

圖3 半圓彎曲實驗Fig.3 Semicircular bending test

參照A.Razmi[15]的論文中的應力強度因子及斷裂模式,通過調整支座位置和切縫位置可以實現不同模式的斷裂 (I 型、II 型和I/II 型混合模式),模式混合參數(Me）用來描述模式I、模式II 之間的權重關系,其公式為：

式(1) 中:KI表示純I 型斷裂模式下的應力強度因子,KII表示純II 型斷裂模式下的應力強度因子,通過表5 中KI、KII的取值可以看出模式 I 的Me=1,模式 II 的Me=0,故Me的取值在0～1 之間。隨著Me的增加,剪應力逐漸減小,張拉應力逐漸增加,因此可以通過Me的大小來描述不同的加載模式。表5 中YI、YII的取值是通過以下公式求得：

其中YI、YII是SCB 試件的形狀、尺寸以及裂縫的位置和深度對其應力強度因子影響的幾何參數。

不同斷裂模式對應的支座位置、裂縫位置、模式混合參數Me、應力強度因子(KI和KII）、幾何參數(YI和YII）見表 5。

表5 不同模式下SCB 試件的幾何因子Table 5 Geometric factors of SCB specimens in different modes

利用YI、YII的公式和試驗測得的最大荷載Pcr,通過以下公式可得到相應的臨界應力強度因子Keff：

式(4)中KIf為純I 型斷裂模式的臨界應力強度因子,KIIf為純II 型斷裂模式的臨界應力強度因子。

對于I/II 型斷裂模式的臨界應力強度因子可用Keff表示,其公式為：

式(5)可以看出，當為純I 型斷裂模式時,KIIf=0,即Keff=KIf。當為純 II 型斷裂模式時,KIf=0,即Keff=KIIf。因此,可以通過Keff來表示不同斷裂模式下的臨界應力強度因子。

除了臨界應力強度因子,斷裂能也是評價瀝青混合料抗裂性能的一個重要指標。斷裂能是指裂縫面從位移為零直到完全分離所消耗的能量,是內聚力模型的參數之一,可以從荷載和位移兩方面分析瀝青混凝土的抗裂性能,斷裂能越大說明瀝青混合料的抗裂性能越好。通過半圓彎曲試驗可以得到荷載-跨中底部豎向位移曲線,然后計算荷載- 位移曲線下的包絡面積可以得到斷裂能[16]。

由于試件厚度和切口長度對斷裂能也有一定的影響,故本文引入了臨界斷裂能,臨界斷裂能是通過預切口為20mm 的半圓形試件的荷載- 位移曲線求得[17],計算公式為：

式(6）中：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。

3 試驗結果分析

3.1 臨界應力強度因子(Keff)

兩種溫度下,不同瀝青混合料的臨界應力強度因子Keff隨Me的變化規律如圖4 所示。

圖4 不同斷裂模式的臨界應力強度因子KeffFig.4 Critical stress intensity factors for diff erent fracture modes

由圖4 可見,在不同溫度條件下,隨著Me的增加,臨界應力強度因子Keff呈現先減小后增加的趨勢,兩種溫度下,臨界應力強度因子的最小值均出現在Me=0.2 時,并且在Me=1 時達到最大值,這說明純I 型模式會高估瀝青混凝土的臨界應力強度因子Keff,應以混合模式條件下的Keff作為抗裂性能的評價指標, -10℃時,玻璃纖維提高了純II 型和I/II 型混合模式的臨界應力強度因子,而對純I 型效果不明顯,20℃時,與基質瀝青混合料相比,不同斷裂模式下的臨界應力強度因子均有所降低,這主要是由于玻璃纖維與瀝青膠漿的粘結強度降低所導致的。由于瀝青用量保持不變,玻璃纖維表面吸收了部分自由瀝青,導致石料表面裹覆的瀝青膜厚度變小,最終導致了瀝青混合料強度的降低。這也說明在確定玻璃纖維改性瀝青混合料的油石比時,除了采用馬歇爾方法之外,還需要考慮纖維對瀝青混合料中低溫抗裂性能的改善情況。

3.2 臨界斷裂能(GF)

兩種溫度下,加入玻璃纖維后的臨界斷裂能GF隨加載模式參數Me的變化規律如圖5 所示。

圖5 不同斷裂模式的臨界斷裂能GFFig.5 Critical fracture energy of different fracture modes

由圖5 可知,在中、低溫環境下,玻璃纖維增強瀝青混合料的臨界斷裂能明顯高于基質瀝青混合料,玻璃纖維增加了瀝青混合料抵抗開裂的能量。此外,基質瀝青混合料的臨界斷裂能隨著模式參數Me的增大呈單調遞增的趨勢,而玻璃纖維增強瀝青混合料的臨界斷裂能隨Me的增大先增大后降低,在Me=0.5 時達到最大值,這說明加入玻璃纖維后,顯著提升了I/II 型混合模式的抗裂性能。

4 結論

使用電子萬能試驗機對SCB 試件進行半圓彎曲試驗,分析了中低溫狀態下,玻璃纖維對瀝青混合料不同斷裂模式下的抗裂性能,通過本文研究得到如下結論：

(1）溫度對瀝青混凝土臨界應力強度因子影響顯著,Keff隨著溫度的降低而增加。不同溫度下,隨著加載模式參數Me的增加臨界應力強度因子先減小后增加,Keff的最小值均出現在Me= 0.2 時。在-10℃時加入玻璃纖維會增加Keff,在20℃加入反而會降低,臨界應力強度因子對低溫的敏感性優于中溫。

(2）溫度對瀝青混凝土臨界斷裂能有顯著影響,GF隨著溫度的降低而增加,基質瀝青混合料的臨界斷裂能隨著模式參數Me的增大呈單調遞增的趨勢,玻璃纖維增強瀝青混合料的臨界斷裂能隨Me的增大先增大后降低,在Me=0.5 時達到最大值。

(3）純I 型或純II 型斷裂模式會高估瀝青混凝土的抗裂性能,加入玻璃纖維可以顯著提高瀝青混凝土I/II開裂模式的增韌效果。