纖維摻量對纖維瀝青混凝土的蠕變特性的影響

高陽

摘要： 根據單軸靜載蠕變試驗研究了不同纖維摻量瀝青混凝土的蠕變性能。分析了纖維瀝青混凝土的蠕變特性隨著纖維摻量變化的規律，討論了卸載后的回彈模量與纖維摻量的關系，分析得出合理纖維摻量。

關鍵詞： 纖維瀝青混凝土;纖維摻量;蠕變;回彈模量

1 引言

纖維瀝青混凝土作為一種新型路面材料以其表現出來的優越路用性能得到了國內外的廣泛關注。本文針對不同纖維摻量的瀝青混凝土進行了單軸靜載蠕變試驗研究，分析了纖維摻量對瀝青混凝土蠕變特性的影響，并且討論了其作用機理。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗研究采用AC-13 細粒式瀝青混凝土級配范圍的中值進行配比， 應用馬歇爾方法確定纖維瀝青混凝土的最佳瀝青用量。纖維摻量分別為瀝青混凝土總質量的0，0.15%，0.2%，0.25%，0.3%。

（1） 瀝青性能

采用AH-90#瀝青。

（2） 集料性能

集料、礦粉均采用石灰巖。

（3） 聚酯纖維性能

纖維選用山東泰安產聚酯纖維。

2.2? 試驗方法

目前國內外所采用的蠕變試驗方法主要以單軸靜載蠕變和彎曲蠕變最具代表性，本文采用單軸靜載蠕變試驗。

根據靜壓法成型圓柱體試件。試件尺寸直徑為100mm，高為100mm。每種纖維摻量選擇4個試件在MTS810材料試驗機上進行試驗， 試驗溫度為45℃。試驗應力水平為σ0= 0.1 MPa。加載60min，卸載15min。將試件置于環境箱中保溫3h。試驗前預加應力0.002MPa持續3min。對試件進行加載和卸載， 每隔10s采集一次數據。

3 試驗結果分析

3.1 馬歇爾試驗結果分析

不同纖維摻量瀝青混凝土的馬歇爾試驗結果如表4所示。隨著纖維用量的增加，瀝青混凝土的最佳瀝青用量增加，毛體積密度降低，空隙率和流值增大。馬歇爾穩定度在纖維摻量為0.2%時出現最大值9.03kN。瀝青混凝土加入纖維后，由于纖維的比表面積增大，其吸附更多的瀝青，導致最佳瀝青用量增加。另一方面， 纖維的相對密度比集料小，纖維加入后占用一定的空間，密實性減弱，導致了瀝青混凝土的密度和空隙率的降低。纖維對瀝青混凝土的穩定作用存在合理摻量。

3.2 蠕變試驗結果分析

不同纖維摻量c的瀝青混凝土隨時間t變化的蠕變變形量d的蠕變曲線見圖1。從圖1可以看出， 各種纖維摻量的瀝青混凝土的蠕變變形規律與普通瀝青混凝土是一致的，表明纖維的加入沒有改變瀝青混凝土的本身蠕變特性。在加載階段，在瞬時荷載作用下，試件首先產生瞬時變形，然后隨著恒載的繼續作用，試件變形不斷增加，最后變形增量逐漸趨于穩定。卸載后彈性變形立即恢復，粘彈性變形隨時間逐漸恢復，粘塑性變形因為不能恢復而成為永久變形。另一方面，從試驗結果看，纖維摻量為0.20%時，曲線處于試驗曲線的最下部位置，而當纖維摻量增加到0.25%和0.30%時，曲線上移，甚至高于不加纖維的普通瀝青混凝土。

隨著纖維的加入， 纖維摻量較小時， 其分布均勻性較好， 與瀝青結合性能強，通過纖維的加筋和連接作用，使瀝青混合料的蠕變性能提高。纖維摻量逐漸增加后， 其蠕變性能進一步增強，蠕變變形量出現最小值，因而纖維對瀝青混凝土的蠕變性能改善作用存在最佳摻量，此時纖維對混合料的加筋穩定作用達到最佳。當纖維摻量超過最佳摻量時，蠕變變形量緩慢增大。這是由于纖維摻量過大， 纖維分散的不均勻性，部分纖維結團成束后，不僅沒有起到加筋作用，還成為瀝青混凝土的內部的薄弱之處，使蠕變變形量增大。

蠕變勁度S是很重要的參數，S（t）=σ0/ε（t）。加載階段蠕變勁度隨時間的變化曲線如圖2所示。

加載階段蠕變勁度與時間的雙對數關系曲線見圖3。從圖3可以看出纖維的加入，瀝青混凝土的蠕變勁度與時間仍然接近于線性關系。

蠕變勁度隨時間變化的曲線， 其加載部分可用冪函數形式進行擬合，函數的表達式為：

加載階段冪函數回歸的結果見表5。從表5可以看出，B和m與纖維摻量具有較好的關系，擬合曲線見圖4，關系方程分別為式（2）和式（3）。

把式（2）和式（3）代入式（1）得到計入纖維摻量c的蠕變勁度表達式，通過該式可以分析各種纖維摻量瀝青混凝土在不同時間下的蠕變勁度。

蠕變勁度在不同的加載時間下隨纖維摻量變化的曲線如圖5所示。由圖5可見，在纖維摻量一定時，隨著加載時間的增加，蠕變變形逐漸增加。當時間取定值時，蠕變勁度隨著纖維摻量的增加而發生改變，在計算的幾種時間下，蠕變勁度在摻量為0.1%-0.2%時能夠取得最大值。

為進一步求出合理纖維摻量的精確值，把S（t，c）對c進行求導之后，令其等于零，可得到在此纖維摻量范圍內S（t，c）的極大值。在1000、1200、1800、2700、3600s 5種時間條件下的S（t，c）的最大值所對應的c值分別為0.136%、0.137%、0.139%、0.142%、0.143%，平均值為0.139%，約等于0.14%，即計算得到的合理摻量約為0.14%。試驗確定的合理纖維摻量約為0.2%，因此通過式（4）計算得到的合理纖維摻量存在一定的誤差性。

4 卸載后的回彈模量

卸載后的回彈模量，直接反映了路面的抗變形能力。利用卸載階段的試驗曲線可以計算出纖維瀝青混凝土的卸載后的回彈模量，計算公式為：

式中：σ0為試驗應力;Δε為卸載前后應變差值。

卸載后的回彈模量計算結果見表6和關系方程為式（6）。從表6中可以看出纖維摻量為0.2%的回彈模量最大，因此在此種纖維摻量下的瀝青混凝土的高溫抗變形能力最好。

5 結論

（1） 加入纖維后的瀝青混凝土的蠕變特性得到了改善。但是，蠕變變形隨著纖維摻量的變化表現出了先減小后增大的規律，在纖維摻量為0.2%時，蠕變變形達到最小。

（2）應用計入纖維摻量的蠕變勁度回歸方程，求得纖維的合理摻量與試驗確定的值存在一定的誤差。

（3）通過計算卸載后的回彈模量，加入纖維后的瀝青混凝土的回彈模量值高于普通瀝青混凝土，但是回彈模量隨著纖維的加入先增大后減小，在纖維摻量為0.2%時取得最大值。此種聚酯纖維改善瀝青混凝土蠕變性能的合理摻量約為0.2%。

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