冻融作用下玄武岩纤维沥青混合料高温压缩断裂过程声学特性研究

作者简介：

韦仕毅（1988— ），工程师，主要从事公路桥梁工程建设管理以及公路养护管理工作。

摘要：文章通过将声发射技术应用于沥青混合料内部损伤表征，采用高温单轴压缩试验来评价玄武岩纤维沥青混合料的高温抗压性能，并结合声学特性参数对冻融循环处理后的玄武岩纤维沥青混合料试件断裂特征进行识别分析。试验结果表明，声发射信号参数能够很好地反映沥青混合料试件在高温压缩过程中的损伤断裂特征，并且可根据声发射信号的变化将沥青混合料试件的压缩破坏过程分为三个阶段。此外，基于声发射信号参数强度可以看出冻融循环对沥青混合料的抗压强度具有不利影响。

关键词：道路工程;沥青混合料;冻融损伤;声发射技术;高温压缩破坏

中国分类号：U416.03A130445

0 引言

由于具有行车舒适、噪音低、施工维养方便等优点，沥青路面被广泛应用于我国高速公路建设中[1-2]。在季冻区，沥青路面长期处于反复冻融循环状态，由于水分和温度的耦合作用，沥青路面内部不断积累损伤，从而形成路面冻融损伤。目前，玄武岩纤维已逐渐用于沥青路面，以改善沥青路面的路用性能，提高沥青路面的耐久性及抗冻融性能[3-4]。Wang等基于针入度、延度以及软化点试验，从玄武岩纤维掺量、纤维长度等方面对玄武岩纤维改性沥青胶浆进行研究，分析了纤维参数对改性沥青胶浆的影响[3]。Qin等研究了不同玄武岩纤维长度及掺量对沥青胶浆的影响，分析比较了不同种类纤维改性沥青的吸附性、剪切性能、抗裂性及高温流变性能，同时借助扫描电镜研究玄武岩纤维的微观结构以分析其增强机理[5]。

研究人员也已针对沥青混合料的冻融损伤开展了许多工作并对比分析沥青路面冻融损伤特征[6-8]。王岚等进行了冻融循环作用下沥青混合料的半圆弯拉试验，并采用断裂力学理论分析探讨了沥青类型、冻融次数等与其抗裂性能之间的关系[9]。声发射技术是一种材料或结构以弹性波的形式释放应变能的现象[10-11]。Jiao等利用声发射技术分别研究了多孔沥青混合料在压缩和劈裂荷载作用下的损伤断裂特性[12]。本研究采用高温单轴压缩试验并结合声发射技术，研究了冻融循环作用对玄武岩纤维沥青混合料高温抗压性能和断裂损伤的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本研究使用的沥青为中海沥青有限公司（中国营口）生产的SBS改性沥青，粗骨料和细骨料均为

产自吉林省九台市的破碎玄武岩，[KG（0.1mm]使用的填料是来自吉林省四平市石灰石矿粉。此外，采用新型环保玄武岩纤维对沥青混合料进行纤维增韧。上述材料的基本技术指标详见已有文献[13]，且符合相应规范要求。

1.2 玄武岩纤维沥青混合料SMA-13

沥青混合料SMA是我国常用的沥青混合料类型，广泛应用于高速公路。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），本研究选择了SMA-13的中值级配，相应的级配曲线如图1所示。玄武岩纤维沥青混合料SMA-13的设计和制备采用了旋转压实法，制备步骤可详见已有研究[14]。沥青混合料油石比为5.7%，玄武岩纤维掺量为SBS改性沥青质量的0.34%。

1.3 试验方法

1.3.1 冻融循环试验

基于已有研究文献[15]，针对夏热冬寒的季冻区气候特点，分别对玄武岩纤维沥青混合料试件进行0、5、10、15和20次冻融循环试验。在冻融循环前，沥青混合料试件用塑料袋单独密封，向每个塑料袋内中倒入15 ml清水，然后立即将试样放入冰箱。每次冻融循环包括将沥青混合料試件在-18 ℃的冰箱中冷冻16 h，然后在60 ℃的水浴中解冻8 h。

1.3.2 单轴压缩与声发射试验

单轴压缩试验是测定沥青混合料抗压强度的常用试验方法。本研究采用50 ℃单轴压缩试验来测试玄武岩纤维沥青混合料的抗压性能。为了进一步研究冻融循环对玄武岩纤维沥青混合料试件的影响，在高温单轴压缩试验过程中结合声发射监测技术，测试了相应的声发射参数。力学测试系统包括加载控制系统、数据采集和处理系统、温控箱等。声发射系统由声发射传感器、前置放大器及数据采集分析系统组成。试验前，玄武岩纤维沥青混合料试件在50 ℃的温控箱中放置4 h以确保内部温度均匀，压缩过程采用位移控制。试验加载速率设定为1 mm/min。

2 冻融作用下玄武岩纤维沥青混合料压缩断裂过程中的声发射参数分析

季冻区内影响沥青路面性能的因素很多，如交通荷载、温度等。对于每个冻融循环组，分别制备两组重复试件，并进行0～20次冻融循环处理。为了表征沥青混合料的高温性能，采用单轴压缩试验来测定玄武岩纤维沥青混合料在不同冻融循环下的抗压强度。同时，将声发射技术作为一种损伤检测技术应用于沥青混合料的压缩断裂分析中。

2.1 玄武岩纤维沥青混合料压缩断裂过程中的声发射信号幅值分析

为了分析冻融循环对沥青混合料压缩断裂损伤的影响，测试了不同冻融循环次数下玄武岩纤维沥青混合料在高温单轴压缩过程中声发射信号幅值和载荷水平随时间的变化关系，其中载荷水平为所施加载荷和失效载荷之比。如下页图2（a）所示，在0次冻融循环情况下，通过结合声发射信号幅值的强度和载荷水平，单轴压缩加载过程和声发射信号幅值可以分为三个阶段：

（1）在第一阶段，当载荷水平<0.1时，在单轴压缩试验期间产生较低的从40～50 dB范围内声发射信号振幅值。第一阶段较低的声发射信号幅值可认为是由于加载过程中的噪声而产生的信号，在第一阶段单轴压缩载荷作用下，初步形成若干微裂纹。

（2）进入第二阶段后，声发射信号幅值开始出现显著增加，当载荷水平在0.1～0.9之间时，声发射信号幅值范围在50～70 dB，声发射信号幅值随着载荷水平的增加而增加。声发射信号幅值的增加表明裂纹主要是在第二阶段形成的，且裂纹呈逐步稳定发展趋势。

（3）随着压缩载荷增大，声发射信号进入第三阶段。在此阶段，声发射信号幅值出现最高值，这意味着沥青混合料试件中的裂纹迅速发展;随后，声发射信号幅值在达到最大值后呈缓慢下降趋势。这是因为宏观裂纹是在微裂纹损伤累积到一定程度时产生，最终使沥青混合料试件断裂破坏。

由图2（b）～（e）可以看出，在不同冻融循环下，声发射信号幅值和载荷水平都有类似的变化。然而，通过比较不同冻融循环的声发射信号幅值，可以看出声发射信号幅值的密度逐渐变小。同时，随着冻融循环次数的增加，单轴压缩试验的加载时间也有一定程度的变化：第一阶段逐渐缩短，第三阶段逐渐增加，第二阶段发生的起始时刻逐渐向前推进。这种变化意味着经过更多冻融循环试验的沥青混合料在较低的载荷水平下便会开始出现初步损坏。由此可见，冻融循环对玄武岩纤维沥青混合料的抗压强度具有不利影响，使得沥青混合料在压缩荷载下更容易发生早期破坏。

2.2 玄武岩纤维沥青混合料压缩断裂过程中的声发射信号振铃计数分析

本研究还测试了不同冻融循环下玄武岩纤维沥青混合料高温单轴压缩过程中声发射信号振铃计数和载荷水平随时间的变化规律，结果绘制如图3所示。通过结合声发射信号振铃计数和载荷水平，高温单轴压缩加载过程和声发射信号振铃计数可以分为三个阶段：

（1）在第一阶段，单轴压缩加载水平<0.1时，除了加载时由于噪声而产生的声发射信号振铃计数外，几乎没有产生声发射信号振铃计数。

（2）进入第二阶段后，声发射信号开始活跃起来，当载荷水平在0.1～0.9时，声发射信号振铃计数开始显著增加。声发射信号振铃计数值随着载荷水平的增加而增加，这意味着裂纹在此阶段逐渐发生并初步形成。然后，裂纹在持续的单轴压缩载荷下也发展为稳定的裂纹扩展。

（3）随着压缩载荷的增大，声发射信号进入第三阶段。在这一阶段，声发射信号振铃计数出现最高值，这意味着沥青混合料试件内的裂纹迅速发展，试件内部出现明显裂纹，最终失去承载力并导致玄武岩纤维沥青混合料试件发生断裂破坏。

至于冻融循环对沥青混合料在单轴压缩载荷下声发射信号振铃计数的影响，结合图2与图3可以发现，在不同冻融循环中，随着载荷水平变化，沥青混合料的声发射信号振铃计数与声发射信号幅值表现出相似的变化趋势。然而，通过比较不同冻融循环作用下玄武岩纤维沥青混合料的声发射信号振铃计数，可以看出，随着冻融循环的增加，声发射信号振铃计数的密度逐渐变小，同时单轴压缩试验的加载时间也在一定程度上有所缩短，其中第一阶段逐渐缩短，第三阶段逐渐增加，而第二阶段发生的起始时刻逐渐向前推进。这说明冻融循环加速了沥青混合料试件的破坏，即冻融循环对玄武岩纤维沥青混合料的抗压强度有明显的不利影響。

3 结语

本研究采用高温单轴压缩试验并结合声发射技术，研究了冻融循环对玄武岩纤维沥青混合料高温抗压性能和断裂损伤的影响，可以得出如下结论：

（1）声发射信号参数能够很好地反映沥青混合料试件在高温压缩过程中的损伤断裂特征。

（2）根据声发射信号的变化，沥青混合料试件在压缩过程中的断裂损伤可分为三个阶段。声发射信号可反映沥青混合料试件在压缩断裂过程中内部损伤的形成、发展和破坏。

（3）沥青混合料声发射信号参数的强度随着冻融循环次数的增加而减弱，这表明冻融循环对沥青混合料的抗压强度具有不利影响。

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