含玻璃纤维的沥青混凝土抗裂性能的评价*

刘朋飞，郭庆林

（河北工程大学土木工程学院，河北邯郸 056038）

沥青路面的开裂是一种常见的破坏形式,不仅会使水渗入到路面结构内部,加速沥青路面的破坏,同时会影响行车的舒适度和安全性。因此控制沥青路面的开裂十分必要,研究人员根据裂纹面的受力情况和断裂特征将裂纹分为三种类型[1]：I 型(张开型）、II 型(滑开型）、III 型(撕开型）,单纯的温度变化所引起的开裂属于I型断裂模式,行车荷载和温度所引起的开裂属于I/II 型混合断裂模式。

众所周知,纤维的加入可以改变沥青混合料的抗裂性能,提高沥青混合料的低温延性,而目前纤维种类众多,常用的有聚酯纤维、木质纤维、玻璃纤维等。由于其良好的界面浸润性,玻璃纤维能与沥青胶浆粘结强度高,是一种良好的增韧纤维[2]。和燕超等[3]分析了玻璃纤维对沥青混合料的路用性能影响,结果表明玻璃纤维可以显著增强沥青混合料的路用性能,沈楸等[4]则指出玻璃纤维可以提高热拌沥青混合料的稳定性,且最佳含量宜为0.2%。以上研究表明,玻璃纤维增强沥青混合料正引起越来越多的关注,而且玻璃纤维的增强效果好于其他纤维。

在沥青混合料抗裂性评价方面,通常采用预制切缝小梁弯曲试验[4-5]、间接拉伸试验[6-7]及半圆弯曲试验(SCB)[8-10]来研究断裂模式。在这些方法中,SCB 由于试件制作简单,可通过调整支撑和切缝的位置实现对不同断裂模式(I 型、II 型和I/II 型）的分析,在沥青混合料断裂力学分析中得到了广泛应用。Lim 等[11]通过有限元方法计算了半圆弯拉试验中各种几何尺寸下的应力强度因子， 指出随着支座间距的减小或裂缝角度和长度的增加,开裂模式逐渐从I 型转化成II 型。S.Pirmohammad等[12]研究了沥青混凝土在不同加载模式和温度下的抗断裂性能,随着温度的降低,不同加载模式下的临界应力强度因子都会增加,但在-20℃时达到最大。通过提高剪切荷载的比例或通过降低Me,沥青混合料的抗断裂性能(Keff）先减小后增加。Mansourian 等[13]调查了黄麻纤维含量对沥青混合料断裂模式的影响,结果表明临界应力强度因子随着温度的降低而增加,黄麻纤维改善了模式I 和混合模式I/II(Me= 0.5）的抗断裂性能,在模式II 和混合模式I/II(Me=0.2）时抗断裂性能没有改善,说明黄麻纤维对沥青混合料不同断裂性能的改善效果是不一样的。

综合以上两方面分析看出,虽然玻璃纤维对增强沥青混合料的抗裂性具有积极作用,但并不一定对所有开裂模式都具有增强作用(比如黄麻纤维）。对玻璃纤维在不同断裂模式下的增韧效果进行分析是十分必要的。而半圆弯拉试验则非常适合对断裂模式进行测定。因此,本文通过研究玻璃纤维增强沥青混合料的制备方法,制备玻璃纤维增强沥青混合料及半圆弯拉试件,利用万能试验机进行了非对称半圆弯拉试验,从而分析玻璃纤维沥青混合料在中温和低温状态下的断裂性能。

1 原材料

1.1 沥青和级配

本文实验所用的沥青为茂名石化工业生产的AH-70# 路面石油沥青,其基本性能见表1。表2 为所选用的集料的基本性质。根据JTG F40-2004 中推荐的级配范围,选用AC-13 级配作为本试验级配,级配曲线如图1 所示。

表1 AH-70# 沥青主要技术性能指标Table 1 Main technical performance indicators of AH-70# asphalt

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

图1 AC-13 级配曲线Fig.1 Gradation curve of AC-13

1.2 玻璃纤维

如图2 所示,试验选用长度为12mm 的玻璃纤维。玻璃纤维的基本性质见表3。

图2 玻璃纤维Fig.2 Glass fibre

表3 玻璃纤维的物理性质Table 3 Physical properties of glass fiber

2 试验

2.1 玻璃纤维沥青混凝土的准备方法

首先,对集料、矿粉、玻璃纤维进行称重,并在160℃的烘箱中放置6h,沥青在160℃的烘箱中放置3h即可,避免沥青老化。之后把集料放入拌合机中进行搅拌,拌合机的温度控制在160℃。然后放入沥青充分搅拌,使沥青均匀地分布在集料上。之后加入一半的纤维进行第一次搅拌,搅拌结束后加入矿粉进行第二次搅拌,最后加入剩余的纤维进行第三次搅拌。这样做的目的是确保纤维均匀分布在沥青混合料中。再将搅拌均匀的沥青混合料放入击实仪试模中击实,根据JTG E20-2011[14],马歇尔试件两面各击实112 次。将放置24h 以上的试件进行脱模,之后把尺寸为152.4mm×95.3mm 的马歇尔试件切割成4 个SCB 试件， 切割后的SCB 试件的物理性质见表4。

表4 不同类型SCB 试件的物理性质Table 4 Physical properties of different types of SCB specimens

2.2 SCB 试验

参照非对称半圆弯拉试验的试验模式,对半圆试件进行切缝处理,裂缝深度为20mm,切割后裂缝宽度为5mm。切割完成后,将半圆试件放入40℃烘箱内烘干24h,然后将SCB 试件分别放入-10℃和20℃的保温箱中保温24h,利用万能试验机进行半圆弯拉试验,加载位移速率设置为1mm/min,试验过程中,实时记录荷载与跨中底部竖向位移。试验过程如图3 所示。

图3 半圆弯曲实验Fig.3 Semicircular bending test

参照A.Razmi[15]的论文中的应力强度因子及断裂模式,通过调整支座位置和切缝位置可以实现不同模式的断裂 (I 型、II 型和I/II 型混合模式),模式混合参数(Me）用来描述模式I、模式II 之间的权重关系,其公式为：

式(1) 中:KI表示纯I 型断裂模式下的应力强度因子,KII表示纯II 型断裂模式下的应力强度因子,通过表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 之间。随着Me的增加,剪应力逐渐减小,张拉应力逐渐增加,因此可以通过Me的大小来描述不同的加载模式。表5 中YI、YII的取值是通过以下公式求得：

其中YI、YII是SCB 试件的形状、尺寸以及裂缝的位置和深度对其应力强度因子影响的几何参数。

不同断裂模式对应的支座位置、裂缝位置、模式混合参数Me、应力强度因子(KI和KII）、几何参数(YI和YII）见表 5。

表5 不同模式下SCB 试件的几何因子Table 5 Geometric factors of SCB specimens in different modes

利用YI、YII的公式和试验测得的最大荷载Pcr,通过以下公式可得到相应的临界应力强度因子Keff：

式(4)中KIf为纯I 型断裂模式的临界应力强度因子,KIIf为纯II 型断裂模式的临界应力强度因子。

对于I/II 型断裂模式的临界应力强度因子可用Keff表示,其公式为：

式(5)可以看出，当为纯I 型断裂模式时,KIIf=0,即Keff=KIf。当为纯 II 型断裂模式时,KIf=0,即Keff=KIIf。因此,可以通过Keff来表示不同断裂模式下的临界应力强度因子。

除了临界应力强度因子,断裂能也是评价沥青混合料抗裂性能的一个重要指标。断裂能是指裂缝面从位移为零直到完全分离所消耗的能量,是内聚力模型的参数之一,可以从荷载和位移两方面分析沥青混凝土的抗裂性能,断裂能越大说明沥青混合料的抗裂性能越好。通过半圆弯曲试验可以得到荷载-跨中底部竖向位移曲线,然后计算荷载- 位移曲线下的包络面积可以得到断裂能[16]。

由于试件厚度和切口长度对断裂能也有一定的影响,故本文引入了临界断裂能,临界断裂能是通过预切口为20mm 的半圆形试件的荷载- 位移曲线求得[17],计算公式为：

式(6）中：W为荷载- 位移曲线下的面积(J）;B为试件厚度(mm）;R为试件半径(mm）;a为预切口长度(mm）;A为断裂面积/mm2。

3 试验结果分析

3.1 临界应力强度因子(Keff)

两种温度下,不同沥青混合料的临界应力强度因子Keff随Me的变化规律如图4 所示。

图4 不同断裂模式的临界应力强度因子KeffFig.4 Critical stress intensity factors for diff erent fracture modes

由图4 可见,在不同温度条件下,随着Me的增加,临界应力强度因子Keff呈现先减小后增加的趋势,两种温度下,临界应力强度因子的最小值均出现在Me=0.2 时,并且在Me=1 时达到最大值,这说明纯I 型模式会高估沥青混凝土的临界应力强度因子Keff,应以混合模式条件下的Keff作为抗裂性能的评价指标, -10℃时,玻璃纤维提高了纯II 型和I/II 型混合模式的临界应力强度因子,而对纯I 型效果不明显,20℃时,与基质沥青混合料相比,不同断裂模式下的临界应力强度因子均有所降低,这主要是由于玻璃纤维与沥青胶浆的粘结强度降低所导致的。由于沥青用量保持不变,玻璃纤维表面吸收了部分自由沥青,导致石料表面裹覆的沥青膜厚度变小,最终导致了沥青混合料强度的降低。这也说明在确定玻璃纤维改性沥青混合料的油石比时,除了采用马歇尔方法之外,还需要考虑纤维对沥青混合料中低温抗裂性能的改善情况。

3.2 临界断裂能(GF)

两种温度下,加入玻璃纤维后的临界断裂能GF随加载模式参数Me的变化规律如图5 所示。

图5 不同断裂模式的临界断裂能GFFig.5 Critical fracture energy of different fracture modes

由图5 可知,在中、低温环境下,玻璃纤维增强沥青混合料的临界断裂能明显高于基质沥青混合料,玻璃纤维增加了沥青混合料抵抗开裂的能量。此外,基质沥青混合料的临界断裂能随着模式参数Me的增大呈单调递增的趋势,而玻璃纤维增强沥青混合料的临界断裂能随Me的增大先增大后降低,在Me=0.5 时达到最大值,这说明加入玻璃纤维后,显著提升了I/II 型混合模式的抗裂性能。

4 结论

使用电子万能试验机对SCB 试件进行半圆弯曲试验,分析了中低温状态下,玻璃纤维对沥青混合料不同断裂模式下的抗裂性能,通过本文研究得到如下结论：

(1）温度对沥青混凝土临界应力强度因子影响显著,Keff随着温度的降低而增加。不同温度下,随着加载模式参数Me的增加临界应力强度因子先减小后增加,Keff的最小值均出现在Me= 0.2 时。在-10℃时加入玻璃纤维会增加Keff,在20℃加入反而会降低,临界应力强度因子对低温的敏感性优于中温。

(2）温度对沥青混凝土临界断裂能有显著影响,GF随着温度的降低而增加,基质沥青混合料的临界断裂能随着模式参数Me的增大呈单调递增的趋势,玻璃纤维增强沥青混合料的临界断裂能随Me的增大先增大后降低,在Me=0.5 时达到最大值。

(3）纯I 型或纯II 型断裂模式会高估沥青混凝土的抗裂性能,加入玻璃纤维可以显著提高沥青混凝土I/II开裂模式的增韧效果。