纖維瀝青混凝土抗裂性能的研究

　　［摘 要］

　　目前采用纖維瀝青混凝土來提高路面的抗裂能力越來越受重視。首先通過小梁彎曲試驗，得到材料的彎拉強度、破壞應變等基本的力學參數(shù)指標。然后利用斷裂力學知識，通過帶切口小梁彎曲試驗，引入J積分概念，得到材料的延性斷裂韌度JIC ，以此評價材料的抗裂性能。

　　［關(guān)鍵詞］

　　纖維瀝青混凝土  彎拉強度  J積分  斷裂韌度

　　一、前言

　　目前國內(nèi)的高等級道路大多數(shù)采用半剛性基層，因為半剛性材料有較高的強度和良好的穩(wěn)定性，延長了道路的使用壽命，但隨之卻在使用早期出現(xiàn)比柔性基層瀝青路面多而頻繁的裂縫，這些裂縫的出現(xiàn)，尤其是反射裂縫，會使水滲入路面路基結(jié)構(gòu)，減弱其整體結(jié)構(gòu)強度，還容易引起瀝青面層較快地出現(xiàn)龜裂等。因此，防止裂縫的相應措施已成為道路工作者的關(guān)注重點，其中采用改善面層材料性能來提高路面抗裂能力的方法越來越受重視。

　　對于面層抗裂性能的研究，目前主要通過采用聚合物改性瀝青，提高瀝青混合料的低溫柔韌性，減少裂縫出現(xiàn)的幾率。與改性瀝青相比，纖維在瀝青混合料中的作用同樣能改善高低溫性能，一個突出的特點是能阻止裂縫的擴展，包括溫縮裂縫和反射裂縫。因此近年來對纖維瀝青混合料的研究和應用越來越廣泛。瀝青混合料的低溫抗裂能力與它在低溫下的抗拉強度、松弛能力，以及收縮性質(zhì)等有關(guān)。通過纖維瀝青混凝土小梁彎曲試驗和斷裂試驗，可以得到材料的彎拉強度、勁度模量、破壞應變、斷裂韌度等力學參數(shù)，由此可以分析纖維瀝青混凝土的抗裂性能。

　　二、纖維瀝青混凝土小梁彎曲試驗

　　（1）試驗材料及方法

　　試驗用的瀝青混凝土選擇比較常用的防滑面層材料AK-13A型瀝青混合料，瀝青為ESSO70#重交瀝青，瀝青用量為4.7%，纖維為聚丙烯腈綸纖維，纖維用量分別為集料總重的0.1%和0.2%，瀝青混凝土梁由輪碾法成型的瀝青混合料試塊切割而成，尺寸為250mm×50mm×50mm，跨徑200mm，高跨比W/L為4。小梁的編號為M0、M0.1和M0.2，所對應的混合料纖維用量分別為0、0.1%和0.2%。

　　瀝青混凝土小梁彎曲試驗在MTS810試驗機上完成，加載方式采用應變控制模型，加載速率為1mm/min，由計算機完成應力-應變數(shù)據(jù)的采集。試驗溫度為0℃和-12℃。

　?。?）勁度模量和破壞應變計算公式

　　瀝青混凝土小梁的彎拉模量E 和破壞應變ε的計算公式如下:

　　式中: PS ---極限荷載，N ；

　　L ---跨徑，為200mm ；

　　b ---梁寬，為50mm ；

　　h ---梁高，為50mm ；

　　δ---極限荷載時的跨中變形，mm

　?。?）小梁彎曲試驗結(jié)果分析

　　在加載初期，M0.1和M0.2纖維瀝青混凝土的曲線斜率比普通瀝青混凝土M0的大，即前者具有較大的勁度，因為纖維在其中起到了加勁作用，它減小了瀝青混凝土的響應。當達到材料極限荷載時，M0幾乎同時發(fā)生斷裂，表現(xiàn)為脆斷。而M0.1和M0.2具有與金屬相同的塑性特征，存在明顯的屈服階段，此時纖維的橋聯(lián)作用使材料仍具有一定的承載能力，直至纖維從瀝青中拔出或斷裂而引起失穩(wěn)斷裂。

　　其次一個顯著的特點是纖維明顯提高了瀝青混凝土的破壞應變。在瀝青混合料中加入纖維后，雖然破壞荷載變化較小，但破壞應變增大幅度較大。與M0普通瀝青混凝土相比，在0℃時，M0.1和M0.2纖維瀝青混凝土破壞應變分別提高30.6%和50%，而在-12℃破壞應變提高35.9%和65.6%，可見纖維對瀝青混凝土變形能力的改善效果非常顯著，并且這種改善效果隨纖維用量增大而提高。另外可以看出，當溫度從0℃降低到-12℃，未加纖維的瀝青混凝土破壞應變降低較多，即材料變得更脆。而纖維瀝青混凝土仍然保持一定的破壞應變，如纖維用量為0.2%的纖維瀝青混凝土在0℃和-12℃溫度條件下的破壞應變分別為0.0108和0.0106 ，幾乎相等。若從彎拉模量來看，M0.1和M0.2的彎拉模量比M0小，低溫變形能力更好，從而具有較好的抗裂能力。

　　另外也可根據(jù)荷載-撓度曲線，計算曲線以下的面積，即材料的韌度，來反映材料抵抗破壞的能力。正因為纖維瀝青混凝土在加載至破壞過程中需要經(jīng)歷一段較長的屈服階段，其韌度明顯比普通瀝青混凝土大。

　　三、帶切口彎曲梁試驗

　　對于許多路面來說，在瀝青面層施工之前，半剛性基層由于未養(yǎng)護好而產(chǎn)生了裂縫。這些微小裂縫在面層底部產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，在溫度和荷載的反復作用之下，這些裂縫將反射至面層。為模擬該現(xiàn)象，設計了帶切口彎曲梁試驗，并引入斷裂韌度JIC參數(shù)來評價材料的抗裂能力。

　　1、J積分的測試方法

　   其中L、B和W分別為試件的長寬高，a為初始裂紋長度，P為荷載，PS為破壞荷載，Up和Ue分別為塑性應變能和彈性應變能，ΔP和Δe分別為塑性變形和彈性變形。

　　其中U為形變功。對一定的P、Δ值，曲線下包圍的面積即為形變功U，然后根據(jù)U、B、W即可求得相應的J。

　　為考慮溫度對材料斷裂參數(shù)的影響，采用了兩個試驗溫度，0℃和- 12℃。M0、M0.1和M0.2三點彎曲試驗。

　　以上計算的U為荷載達到極限值PS時的形變能，此時材料處于臨界狀態(tài)。定義材料處于臨界狀態(tài)的J積分為延性斷裂韌度JIC，其值越大，說明材料的抗裂能力越大。JIC包括彈性部分Je和塑性部分Jp ，可通過相關(guān)公式計算。

　　2、帶切口小梁彎曲試驗結(jié)果分析

　?。?）纖維用量對JIC的影響分析

　　在瀝青混合料中加入纖維之后，纖維通過與瀝青、瑪蹄脂的改善作用，最終提高了混合料的整體韌度，在裂縫擴展之前具有比較明顯的屈服階段，表現(xiàn)為延性斷裂。在0℃和-12℃時，未加纖維的瀝青混合料M0的JIC較小，并且大部分為彈性分量Je，其所占比例分別為74.9%和97.1%； 纖維用量為0.1%的瀝青混合料M0.1和Je所占比例為35.7%和60.9%；纖維用量為0.2%的瀝青混合料M0.2的Je所占比例為37.1%和36.8%。一般說來，J越大，材料的抗裂能力越大，而J中彈性分量Je和塑性分量Jp的比例也對其影響很大。因為構(gòu)成Je的形變功是彈性功，以可逆形式存在于結(jié)構(gòu)中，在裂紋擴展過程中將釋放出來，助長裂紋開裂; 而構(gòu)成Jp的是塑性功，消耗于塑性變形，為不可逆，對以后的裂紋擴展不構(gòu)成威脅。故大的Je或大的Jp，均有可能得到大的J，但只有大的Jp，才有可能得到大的阻力曲線斜率dJ/da。本試驗未測定材料的Jr阻力曲線，僅分析了起裂點的JIC，未能更好地說明纖維在混合料裂縫擴展過程的作用。但JIC已經(jīng)很好地說明，纖維在瀝青混合料中的阻裂作用非常明顯。隨著纖維用量的增加，JIC 增加較大，并且Jp所占比例越大，材料表現(xiàn)出更好地延性。

　?。?）溫度對JIC的影響分析

　　溫度影響瀝青混凝土的勁度，溫度越低，勁度越大，材料特征主要表現(xiàn)為彈性，斷裂為脆性斷裂。M0的JIC由0℃時的0.3853MP·mm，降至-12℃的0.2883MPa·mm，主要是由于Jp減少，-12℃時的Jp值幾乎為0，材料幾乎為完全彈性體。M0.1在溫度降低過程中Je提高，Jp降低，因此Je所占比例明顯提高，材料的韌性降低； M0.2當溫度下降時，Je和Jp同時降低，但Jp仍保持較高的比例，材料起裂時仍具有明顯的屈服階段，表現(xiàn)為韌斷。

　　四、結(jié)語

　　(1) 通過瀝青混凝土小梁彎曲試驗表明，纖維瀝青混凝土的彎拉強度變化較小，而破壞應變明顯提高，提高幅度達到30%～65%。當溫度下降時，普通瀝青混凝土的破壞應變降低較快，脆性增加，而纖維瀝青混凝土的破壞應變變化很小，材料達到極限承載能力之前具有比較明顯的屈服階段，材料的韌性增加，從而抗裂能力得到了提高。

　　(2) 根據(jù)帶切口三點彎曲梁試驗的荷載-變形曲線，分析了纖維瀝青混凝土的斷裂特征，并提出J積分判據(jù)來分析纖維瀝青混凝土的斷裂問題。試驗研究表明，纖維的加入顯著地提高了瀝青混合料的塑性功，即在塑性變形階段，主要由纖維從混合料中拔出或斷裂，增加了裂紋擴展的應變能，抗裂能力得到明顯提高。

　　(3) 從斷裂韌度與溫度的關(guān)系中分析得出，纖維的加入明顯提高了材料的韌度，纖維瀝青混凝土保持一定的塑性和變形能力，在很低的溫度環(huán)境下仍保持較好的抗裂性能。

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