纤维掺量对纤维沥青混凝土的蠕变特性的影响

高阳

摘要： 根据单轴静载蠕变试验研究了不同纤维掺量沥青混凝土的蠕变性能。分析了纤维沥青混凝土的蠕变特性随着纤维掺量变化的规律，讨论了卸载后的回弹模量与纤维掺量的关系，分析得出合理纤维掺量。

关键词： 纤维沥青混凝土;纤维掺量;蠕变;回弹模量

1 引言

纤维沥青混凝土作为一种新型路面材料以其表现出来的优越路用性能得到了国内外的广泛关注。本文针对不同纤维掺量的沥青混凝土进行了单轴静载蠕变试验研究，分析了纤维掺量对沥青混凝土蠕变特性的影响，并且讨论了其作用机理。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验研究采用AC-13 细粒式沥青混凝土级配范围的中值进行配比， 应用马歇尔方法确定纤维沥青混凝土的最佳沥青用量。纤维掺量分别为沥青混凝土总质量的0，0.15%，0.2%，0.25%，0.3%。

（1） 沥青性能

采用AH-90#沥青。

（2） 集料性能

集料、矿粉均采用石灰岩。

（3） 聚酯纤维性能

纤维选用山东泰安产聚酯纤维。

2.2  试验方法

目前国内外所采用的蠕变试验方法主要以单轴静载蠕变和弯曲蠕变最具代表性，本文采用单轴静载蠕变试验。

根据静压法成型圆柱体试件。试件尺寸直径为100mm，高为100mm。每种纤维掺量选择4个试件在MTS810材料试验机上进行试验， 试验温度为45℃。试验应力水平为σ0= 0.1 MPa。加载60min，卸载15min。将试件置于环境箱中保温3h。试验前预加应力0.002MPa持续3min。对试件进行加载和卸载， 每隔10s采集一次数据。

3 试验结果分析

3.1 马歇尔试验结果分析

不同纤维掺量沥青混凝土的马歇尔试验结果如表4所示。随着纤维用量的增加，沥青混凝土的最佳沥青用量增加，毛体积密度降低，空隙率和流值增大。马歇尔稳定度在纤维掺量为0.2%时出现最大值9.03kN。沥青混凝土加入纤维后，由于纤维的比表面积增大，其吸附更多的沥青，导致最佳沥青用量增加。另一方面， 纤维的相对密度比集料小，纤维加入后占用一定的空间，密实性减弱，导致了沥青混凝土的密度和空隙率的降低。纤维对沥青混凝土的稳定作用存在合理掺量。

3.2 蠕变试验结果分析

不同纤维掺量c的沥青混凝土随时间t变化的蠕变变形量d的蠕变曲线见图1。从图1可以看出， 各种纤维掺量的沥青混凝土的蠕变变形规律与普通沥青混凝土是一致的，表明纤维的加入没有改变沥青混凝土的本身蠕变特性。在加载阶段，在瞬时荷载作用下，试件首先产生瞬时变形，然后随着恒载的继续作用，试件变形不断增加，最后变形增量逐渐趋于稳定。卸载后弹性变形立即恢复，粘弹性变形随时间逐渐恢复，粘塑性变形因为不能恢复而成为永久变形。另一方面，从试验结果看，纤维掺量为0.20%时，曲线处于试验曲线的最下部位置，而当纤维掺量增加到0.25%和0.30%时，曲线上移，甚至高于不加纤维的普通沥青混凝土。

随着纤维的加入， 纤维掺量较小时， 其分布均匀性较好， 与沥青结合性能强，通过纤维的加筋和连接作用，使沥青混合料的蠕变性能提高。纤维掺量逐渐增加后， 其蠕变性能进一步增强，蠕变变形量出现最小值，因而纤维对沥青混凝土的蠕变性能改善作用存在最佳掺量，此时纤维对混合料的加筋稳定作用达到最佳。当纤维掺量超过最佳掺量时，蠕变变形量缓慢增大。这是由于纤维掺量过大， 纤维分散的不均匀性，部分纤维结团成束后，不仅没有起到加筋作用，还成为沥青混凝土的内部的薄弱之处，使蠕变变形量增大。

蠕变劲度S是很重要的参数，S（t）=σ0/ε（t）。加载阶段蠕变劲度随时间的变化曲线如图2所示。

加载阶段蠕变劲度与时间的双对数关系曲线见图3。从图3可以看出纤维的加入，沥青混凝土的蠕变劲度与时间仍然接近于线性关系。

蠕变劲度随时间变化的曲线， 其加载部分可用幂函数形式进行拟合，函数的表达式为：

加载阶段幂函数回归的结果见表5。从表5可以看出，B和m与纤维掺量具有较好的关系，拟合曲线见图4，关系方程分别为式（2）和式（3）。

把式（2）和式（3）代入式（1）得到计入纤维掺量c的蠕变劲度表达式，通过该式可以分析各种纤维掺量沥青混凝土在不同时间下的蠕变劲度。

蠕变劲度在不同的加载时间下随纤维掺量变化的曲线如图5所示。由图5可见，在纤维掺量一定时，随着加载时间的增加，蠕变变形逐渐增加。当时间取定值时，蠕变劲度随着纤维掺量的增加而发生改变，在计算的几种时间下，蠕变劲度在掺量为0.1%-0.2%时能够取得最大值。

为进一步求出合理纤维掺量的精确值，把S（t，c）对c进行求导之后，令其等于零，可得到在此纤维掺量范围内S（t，c）的极大值。在1000、1200、1800、2700、3600s 5种时间条件下的S（t，c）的最大值所对应的c值分别为0.136%、0.137%、0.139%、0.142%、0.143%，平均值为0.139%，约等于0.14%，即计算得到的合理掺量约为0.14%。试验确定的合理纤维掺量约为0.2%，因此通过式（4）计算得到的合理纤维掺量存在一定的误差性。

4 卸载后的回弹模量

卸載后的回弹模量，直接反映了路面的抗变形能力。利用卸载阶段的试验曲线可以计算出纤维沥青混凝土的卸载后的回弹模量，计算公式为：

式中：σ0为试验应力;Δε为卸载前后应变差值。

卸载后的回弹模量计算结果见表6和关系方程为式（6）。从表6中可以看出纤维掺量为0.2%的回弹模量最大，因此在此种纤维掺量下的沥青混凝土的高温抗变形能力最好。

5 结论

（1） 加入纤维后的沥青混凝土的蠕变特性得到了改善。但是，蠕变变形随着纤维掺量的变化表现出了先减小后增大的规律，在纤维掺量为0.2%时，蠕变变形达到最小。

（2）应用计入纤维掺量的蠕变劲度回归方程，求得纤维的合理掺量与试验确定的值存在一定的误差。

（3）通过计算卸载后的回弹模量，加入纤维后的沥青混凝土的回弹模量值高于普通沥青混凝土，但是回弹模量随着纤维的加入先增大后减小，在纤维掺量为0.2%时取得最大值。此种聚酯纤维改善沥青混凝土蠕变性能的合理掺量约为0.2%。

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