透水聚酯纖維瀝青混合料動力學特性研究

王峻巖，張根富，趙斯文

(黑龍江省工程質量道橋檢測中心有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

普通瀝青路面在雨雪氣候時無法迅速排除積水，路面抗滑性下降，對行車安全產生不利影響。近年來國內對高速公路運營安全的關注，以及城市內澇治理及道路透水性改造的要求，促進了透水瀝青混凝土路面的應用。但是透水瀝青路面對混合料要求較高，需采用的高粘度改性瀝青價格昂貴，因此利用SBS改性瀝青中摻加聚酯纖維，以替代昂貴的高粘度改性瀝青，成為國內理論與實踐的一大探索方向[1]。現有的研究主要集中于聚酯纖維透水瀝青混凝土的靜態、準靜態力學性能研究，且路面設計一般以滿足靜荷載要求為主，較少考慮沖擊荷載的影響。但是路面在實際使用過程中受到沖擊、撞擊作用頻繁，材料特性與靜態下的性能存在較大差異。因此，本文利用分離式霍普金斯壓桿SHPB試驗系統開展試驗，研究聚酯纖維透水瀝青混合料的動力學特性。

1 原材料及最佳瀝青用量

1.1 集料

（1）粗集料。粗集料在透水瀝青混合料中的作用主要在兩方面：一是通過嵌擠形成骨架，為混合料提供強度；二是利用集料間的摩擦力，抵抗結構間的位移。粗集料選擇石灰巖軋制碎石，干燥、清潔、無雜質、針片含量少、具有棱角性，各項指標均能夠滿足相關技術規范要求。

（2）細集料。細集料在透水瀝青混合料中用量較少，主要作用是調整結構空隙率。細集料采用石灰巖機制砂，干燥、清潔、無雜質，各項指標均能滿足技術規范要求。

（3）礦粉。礦粉在透水瀝青混合料中的作用主要是增強瀝青與集料的粘結，提高混合料抗剝落能力。礦粉采用石灰巖磨制，各項指標均能滿足規范要求。礦粉用量為4%。

1.2 礦料級配

根據國內透水混凝土路面的常用結構，試驗采用細粒式PAC-13型透水瀝青混合料，選擇中值作為基準級配[2]，見表1。

表1 基準級配Table 1 Reference gradation

1.3 聚酯纖維

單獨使用SBS改性瀝青，不能滿足透水瀝青混合料對瀝青材料的要求。因此本文選擇添加聚酯纖維，以增加集料比表面積及瀝青膜厚，提高透水瀝青混合料的強度、耐久性及抗剪切能力，使混合料的性能滿足規范要求。試驗采用的聚酯纖維為潤方路用聚酯纖維，表2為其主要性能指標。

表2 聚酯纖維技術指標Table 2 Technical indexes of polyester fiber

1.4 改性瀝青

透水瀝青混合料需要選用高黏度改性瀝青，常用的成品高黏度改性瀝青或者加入大量改性劑的改性瀝青成本較高，阻礙了透水路面的應用。因此本研究通過SBS改性瀝青+聚酯纖維，替代高黏度改性瀝青，作為試驗用透水瀝青混合料的原材料。其中SBS改性瀝青的25℃針入度、軟化點、25℃延度分別為48.1（0.1mm）、81.5℃、109cm，滿足相關規范的要求。

1.5 最佳瀝青用量確定

透水瀝青混合料具有較大空隙率，無法通過馬歇爾試驗確定最佳瀝青用量，因此通常采用謝倫堡析漏試驗方法。最佳瀝青用量為謝倫堡析漏試驗曲線拐點所對應的用量。試驗確定的各聚酯纖維摻量下的最佳瀝青用量見表3。

表3 最佳瀝青用量Table 3 Optimum amount of asphalt

2 動力學特性試驗方法

瀝青混合料試件根據表3確定的最佳瀝青用量和聚酯纖維摻量，靜壓成型為直徑35mm、高度70mm的圓柱體，共6組試件。利用分離式霍普金斯壓桿SHPB試驗系統，開展沖擊壓縮和沖擊劈裂試驗。根據動力學公式，計算各試驗數據下對應的應力、應變、應變率等參數[3]。公式如下：

3 沖擊壓縮試驗結果及分析

3.1 沖擊壓縮試驗結果

利用SHPB試驗系統測量各組試件在單軸沖擊下的最大沖擊抗壓強度。根據公式計算應力、應變值后，繪制圖1所示的應力-應變曲線。由圖1可知，雖然不同聚酯纖維摻量下的試件的沖擊壓縮應力-應變曲線存在差異，但是整體趨勢相近，整個過程都呈現出“彈性變形-塑性變形-結構破壞”三個階段。試驗初期沖擊荷載較小，沖擊壓縮應力-應變曲線表現出線性變化規律，說明試件處于彈性變形階段。隨著沖擊荷載增大，應力應變曲線出現拐點，混合料由彈性變形階段進入塑性變形。原因在于透水瀝青混合料具有較大空隙率，荷載不斷作用下，空隙減小，混合料被壓密[3]。加載進一步增大，混合料逐漸達到密實狀態，空隙率大大降低，當達到極限應力值時，曲線出現驟降趨勢，應變少量增加，應力迅速下降，表明此時材料已發生脆性破壞。

圖1 聚酯纖維摻量一定條件下混合料沖擊壓縮應力-應變關系Fig.1 Stress - strain relationship of mixture under impact compression with a certain dosage

3.2 沖擊抗壓強度應變率效應

由圖1可知，在混合料從彈性階段進入塑性階段時，曲線存在明顯拐點。而相關研究也指出[3]，拐點越明顯，應變率越大，這表明混合料的抗壓強度具有較大的應變率效應。以聚酯纖維摻量0.4%時為例，當應變率為84.1s-1時，沖擊抗壓強度為39.12MPa；應變率增大到93.7s-1時，沖擊抗壓強度為42.11MPa，提高7.7%；當應變率增大到119.5s-1時，沖擊抗壓強度為51.63MPa，提高32.1%。說明在聚酯纖維摻量一定的條件下，應變率增大，沖擊抗壓強度提高，高應變率下的混合料沖擊抗壓強度高于低應變率下強度。原因在于，相比密集配瀝青混合料，聚酯纖維透水瀝青混合料具有較大空隙，結構中微裂紋較多，而裂紋擴展比裂紋產生所需的能量要小，導致材料在沖擊荷載下難以積聚能量，因此應力增長明顯。同時對于較大尺寸的圓柱體試件，試件內部受力實際上并非一維應力狀態，試件的側向應變受到慣性作用約束，處于類似圍壓狀態，應變率越大，則制約作越明顯，宏觀上表現為試件沖擊抗壓強度增大[4]。

3.3 聚酯纖維摻量對沖擊壓縮特性影響

根據SHPB試驗數據，分析相同應變率條件、不同聚酯纖維摻量條件下的沖擊壓縮特性，設置應變率為90s-1，沖擊壓縮應力-應變曲線如圖2所示，其他應變率下的曲線趨勢類似。由圖2可知，應變率一定時，混合料抗沖壓強度隨聚酯纖維摻量的增加，表現為先增加后減小的規律。圖中可以發現，相比不摻加聚酯纖維，摻加聚酯纖維混合料的沖擊抗壓強度明顯提高。對比同一應力水平下的應力值可以發現，當摻量為0.4%時，混合料沖擊抗壓強度達到最大，相比不摻加纖維的混合料，強度提高50%以上。

圖2 應變率為90s-1下纖維摻量與沖擊壓縮強度的關系Fig. 2 Shows the relationship between fiber content and impact compressive strength at 90s-1 strain rate

4 沖擊劈裂試驗結果及分析

4.1 沖擊氣壓與沖擊劈裂強度的關系

利用SHPB試驗系統進行沖擊劈裂試驗，測定不同纖維摻量（0、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%）以及不同沖擊氣壓（0.3、0.45、0.6、0.75 MPa）下的混合料試件沖擊劈裂強度。由于各摻量下的沖擊氣壓-沖擊劈裂強度曲線趨勢基本相同，因此圖3僅列出摻量0.35%及0.4%下的關系圖。由圖3可知，以摻量0.4%為例，當沖擊氣壓為0.3MPa時，沖擊劈裂強度為20.00 MPa；沖擊氣壓為0.45MPa時，劈裂強度為21.93MPa，提高9.65%；沖擊氣壓為0.75 MPa時，劈裂強度為26.45 MPa，提高32.25%，增長較為明顯。這表明當摻量一定時，隨著沖擊氣壓增大，混合料的沖擊劈裂強度增大。

圖3 聚酯纖維摻量一定條件下混合料沖擊劈裂應力時程曲線Fig.3 Time history curve of impact splitting stress of mixture with a certain dosage

4.2 聚酯纖維摻量與沖擊劈裂強度的關系

圖4 為同一沖擊氣壓下、不同聚酯纖維摻量與沖擊劈裂強度的關系圖。由圖4可知，當沖擊氣壓一定時，隨著聚酯纖維摻量的增加，試件沖擊劈裂強度表現為先增大后減小的變化規律。在摻量0～0.4%的范圍，劈裂強度隨摻量增大而增大；在0.4%～0.5%范圍內，劈裂強度隨摻量增大而減小?；旌狭蠜_擊劈裂強度在聚酯纖維摻量為0.4%時達到最大值。結果表明，過量摻加聚酯纖維，對瀝青混合料的劈裂強度有不利影響。

圖4 纖維摻量與混合料沖擊劈裂強度的關系Fig.4 Relationship between fiber content and impact splitting strength of mixture

5 破壞形態與機理分析

5.1 破壞形態

（1）沖擊壓縮破壞形態。在沖擊壓縮試驗中，混合料試件在極限沖擊壓縮強度下發生破壞，破壞形態主要是壓縮、裂縫、塊裂，部分試件表現為完全碎裂。沖擊氣壓小時，加載較小且速度較慢，混合料部分微裂縫發展形成幾條主裂縫，破壞形式呈現為塊裂。沖擊氣壓較大時，加載較大且速度快，混合料形成多條較大裂縫，未觀測到明顯主裂縫，最終破壞形式表現為碎裂。

（2）沖擊劈裂破壞形態。在沖擊劈裂試驗中，混合料的破壞形態呈現為裂縫、塊裂和碎裂，但是裂縫的形態、部位與壓縮試驗有所不同。壓縮試驗中裂縫發生在試件軸向方向，但劈裂試驗的裂縫發生在徑向方向。

5.2 破壞機理分析

結合應力-應變曲線及裂縫發展過程、破壞形態觀察，可以發現沖擊氣壓的大小對聚酯纖維瀝青混合料的破壞形態有較大影響。透水瀝青混合料中粗集料占比可達80%，形成穩定的石-石嵌擠結構，但是結構內部的空隙及微裂縫較多[4]。當沖擊氣壓不大時，透水聚酯纖維瀝青混合料中粗集料用量高達80%以上，粗集料之間形成了石-石嵌擠結構，結構內部會存在比普通密級配瀝青混合料更多的空隙，同時伴隨有大量的微裂紋。當沖擊氣壓較小時，荷載作用使微裂紋周圍應力松弛，而加載速度慢使得部分能量得以緩慢釋放，僅有部分微裂縫發展成幾條主裂縫，隨后結構分裂為幾大塊。當沖擊氣壓較大時，加載較大且速度快，能量無法釋放，內部的微裂縫均衡發展，因此形成若干條較大裂縫，但不存在明顯主裂縫，最終混合料呈現碎裂破壞。觀察還發現，混合料裂紋的發展速度隨著沖擊氣壓增大而增大，且破損試件中發現粗集料斷裂現象，結合塑性階段-破壞階段的應力-應變曲線，認為混合料在破壞前的強度仍有提高，是受到裂紋擴展慣性效應的作用，隨著集料斷裂，結構在達到峰值應力后，承載能力迅速喪失，呈現明顯的脆性特點。因此，集料斷裂是聚酯纖維瀝青混合料發生動態破壞的重要原因。

6 結論

本研究通過SHPB試驗系統，對聚酯纖維透水瀝青混合料開展沖擊壓縮試驗與劈裂試驗，繪制應力-應變曲線并觀察試件破壞過程，分析混合料的動力學特性及規律，得出以下結論：

（1）沖擊壓縮試驗結果表明，混合料存在明顯的沖擊抗壓強度應變率效應，屬于應變率敏感性材料，沖擊抗壓強度隨應變率增大而提高。沖擊壓縮應力-應變曲線分為彈性變形、塑性變形、破壞三個階段。

（2）沖擊劈裂試驗結果表明，混合料的沖擊劈裂強度隨著沖擊氣壓的增大而增大。

（3）聚酯纖維的摻入可以顯著提升透水瀝青混合料的動力學特性，最佳摻量為0.4%。但過量摻入聚酯纖維，會導致混合料抗劈裂強度的下降。

（4）分析試件破壞過程，認為集料斷裂是聚酯纖維透水瀝青混合料動態破壞的重要原因。