岩石纤维对沥青混凝土的韧性影响研究

王怀鹏，高春妹，齐 瑞，陶美净

(吉林建筑大学，吉林 长春 130118)

0 前 言

北方地区路面受气候影响较大,沥青路面材料在承受的荷载达到最大值之后,其随水平变形的增大而下降的速度关系到实际路面的综合使用性能。针对沥青路面来说,对于其在开裂前后的总体力学情况必须采取适当的分析方法,评价指标恰当与否，关系到沥青混合料的抗裂特性评估准确性。尤其是岩石纤维的掺入，对沥青混合料抗裂性能的影响敏感度，评估指标起到至关重要的作用。

1 玄武岩纤维沥青混凝土韧性试验方法的选取

关于纤维混凝土的韧性评估指标和测定方法,现在比较经典的方法大致有:日本的Jsce-SF4方法、美国的ASTM-C108方法、日本Freeman方法、Mashnad方法及Sobhan方法[1-4]。

JSCE-SF4方法评价指标选用韧性系数g采用三分点加载的小梁试件进行弯曲试验,避开了初裂点的确定,但对于试件裂前和裂后的行为,平均强度值不能将其很好地反映出来，而且求得的韧度因子变异性较大,同时对试验仪器要求较高。

ASTM-C108方法通过I5、I10、I30三个韧性指数来对纤维混凝土的韧性进行评定。采取三分点加载的小梁弯曲试验方法,但这种方法的缺点是初裂点位置确定困难，目前的试验仪器捕捉的位置不理想，导致测试数据的精确度不够。一切研究结果最终为实际应用服务，需要实验室成果与工程指标衔接良好，但这种方法用的是吸收能量的相对值，而外界条件大大影响能量吸收，因此，该方法存在不可回避的现实问题。

Freeman法对韧性的定义是间接拉应力-垂直变形曲线所包围的面积，试验方法是间接拉伸试验,这种方法克服了外界条件对能量吸收的影响，优点是实验室试件在全破坏过程中吸收能量水平可以较好地反映出来,但仍然不能将试件的裂后行为很好地反映出来。

Mashnad法和Sobhan法，简称M-S法，借助间接拉伸室内实验，选用将荷载-变形曲线进行无量纲化，然后再来评价纤维水泥稳定碎石的韧性，目前这种评定方法不但能将裂后行为很好地反映出来,而且计算简单,意义明确。采用的评价指标是韧性指数TI,其计算式如下:

(1)

式中，dP为最大荷载对应的变形值;d为任一比dP大的变形值;AP为峰值对应下的无量纲化后曲线面积;Ad为d/dP对应下的无量纲化后曲线面积。

经过综合分析后，岩石纤维对沥青混凝土的开裂前后的变形影响程度评价采用M-S方法,以间接拉伸试验为引,通过使用韧性特征来对岩石纤维沥青混凝土的断裂前后的行为进行深入研究,定量评估岩石纤维对沥青混凝土开裂前后的力学行为改善程度。

2 结果分析

1)间接拉伸试验结果。9 mm长玄武岩纤维三种掺量和6 mm长玄武岩纤维三种掺量的沥青混凝土M-S曲线见图1。

图1 不同纤维掺量对沥青混凝土变形影响的M-S曲线

从图1可以看出,在试件发生间接拉坏之前,对于某荷载数值(Pi)对应的水平变形(Xi),掺加了纤维的沥青混凝土水平变形大;当试验对象都发生间接拉坏后，即加载值达到峰值荷载(Pmax)后,对某一荷载数值(Pj)，其对应的开裂破坏后再次产生的水平形变数值(Xj),仍然是掺加了玄武岩纤维的沥青混凝土水平变形数值(Xj)大。这一试验数据规律就表明了玄武岩纤维(BF)对沥青混凝土开裂后的变形发展速度有所约束。

从图1中还可以看出,加入玄武岩纤维(BF)的沥青混凝土，当荷载加到破坏荷载值后,对试件继续加载，此时试件承受荷载的能力要高于不加纤维的，这直观地说明玄武岩纤维(BF)明显提高了沥青混凝土的韧性,可以修复沥青混凝土破坏带来的损伤，赋予了混凝土的自愈能力，相当于智能材料的功效。

从图1的多条曲线上还可以看到，掺量是0.15%的6 mm的岩石纤维沥青混凝土和掺量是0.07%的9 mm的岩石纤维沥青混凝土的开裂破坏后的自愈能力最强，即变形性能最好,随着水平形变Xj的增加,荷载下降速度最慢。

2)韧性指数分析。将图1中的荷载-位移(P-X)试验曲线作无量纲化,即荷载Pi除以峰值荷载Pmax、水平变形Xi除以峰值荷载Pmax下对应的水平变形Xmax。无量纲化的M-S变形曲线见图2。

图2 无量纲化的M-S曲线对比图

从图2中可以看到,在P/Pp最大值后，是没有掺入纤维(BF)的沥青混凝土(P/Pp)j数值下降最快，而掺加纤维(BF)的沥青混合料(P/Pp)j下降速度较小，这明确显示了岩石纤维的加入提高了沥青混凝土的开裂后变形能力。而岩石纤维的加入则能够改善沥青混凝土的开裂前和开裂后变形能力,沥青混凝土在破坏后的自愈能力增加，即增加了沥青混凝土的韧性。

根据室内试验数据结果和M-S的韧性评价方法,拟定加入玄武岩纤维的沥青混凝土的韧性指数公式为:

(2)

式中，AP是峰值对应下的无量纲化后曲线面积；AX/XP是X/XP对应下的无量纲化后曲线面积；X是任一水平变形值；XP是最大荷载对应的水平变形值；Y是(XP

根据式(2)计算得出了多种玄武岩纤维(BF)掺量在水平变形X等于0.9 mm时的韧性指数,其TI值见表1,变化趋势见图3。

从表1数值和图3趋势可以看出,加入玄武岩纤维(BF)后,韧性指数(TI)提高了，只有0.17%的掺量提高不明显,其中增加明显的是9 mm长掺量分别是0.05%、0.07%和6 mm长掺量是0.15%时。当纤维长度是6 mm、其对应掺量是0.17%时的沥青混凝土韧性指数TI6 mm与普通沥青混凝土的TI0数值相比[2]，已略逊于普通沥青混凝土,这表明纤维掺量的细微变化，对于细粒式密级配的沥青混凝土而言，是个非常敏感的影响因素。要使纤维分布较为均匀,只有加入适当量的玄武岩纤维(BF),才可以在沥青混凝土基体中形成的空间网络结构有效，进而利于应力的传递与消散,期望上延缓已发生破坏的沥青混凝土的裂缝扩展速度,提高沥青混凝土的开裂破坏后使用品质.

表1 不同纤维长度的韧性指数

从图3中可以看到，9 mm长的玄武岩纤维(BF)在其选定的掺量范围内对沥青混凝土的增韧性能显著,且随掺量的变化韧性指数值(TI)波动较小。

(a)6 mm玄武岩

3 结 论

1)对9 mm长和6 mm长玄武岩纤维(BF)沥青混凝土来说，对应掺量分别是0.05%、0.07%和0.15%的韧性指数(TI)都较大,可以有效改善沥青混凝土的开裂破坏后的使用品质。

2)对于固定长度的玄武岩纤维(BF),不同掺量值对应的韧性指数值TI变化明显,即TI数值对BF的加入敏感度高。

3)9 mm长的玄武岩纤维(BF)要优于6 mm长的玄武岩纤维(BF)对沥青混凝土的韧性性能改善效果。

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