基于多指标的纤维增强沥青混凝土路用性能评价

摘要：为研究玄武岩纤维对沥青混凝土路用性能的影响，文章通过劈裂强度试验确定纤维的最佳掺量，测试不同温度下纤维的加入对沥青混凝土劈裂抗拉强度、单轴动态模量以及浸水马歇尔稳定度的影响，利用DIC测试系统对SCB半圆试件加载过程进行全时域监测。试验结果表明：玄武岩纤维的掺入能提升沥青混合料的劈裂抗拉强度以及浸水马歇尔稳定度，并能显著增强低温条件下沥青混合料的断裂功，但对于单轴动态模量以及高温条件下沥青混合料的浸水马歇尔稳定度影响不大。

关键词：玄武岩纤维；沥青混凝土；路用性能；阻裂效果

中图分类号：U416.217" " " " 文献标识码：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.014

文章编号：1673-4874（2024）11-0044-03

引言

我国道路普遍采用沥青路面。沥青作为一种胶结料，其性能随着温度的改变变化很大，在严寒环境下沥青变冷脆，道路的低温抗裂性受到影响［1-2］。

为了提升路面的低温抗裂性能，目前普遍采用的方法为使用改性沥青。改性沥青相对于基质沥青低温抗裂性能有很大提高，但是在自然环境下，改性剂会快速降解，导致沥青路面后期服役性能衰减，对沥青路面的长期的低温抗裂性能提升不大［3］。

纤维作为一种复合材料，被广泛用于土木工程领域［4］，发挥其桥接作用［5］，能提升基体材料的韧性、抗弯拉性能并延缓基体材料裂缝的发展［6］。目前国内外学者针对纤维在沥青混凝土中增韧阻裂的效果进行了研究评价［7］，但是都针对单一指标，并且对加载全过程以及试件表面位移场研究较少，需要结合多指标进行研究。

本文在沥青混凝土中加入玄武岩纤维，对劈裂强度、单轴动态模量、浸水马歇尔稳定度以及半圆弯曲性能进行测试，并通过DIC技术对荷载作用下纤维沥青混凝土试件进行了全时域监测［8］，结合多指标对纤维掺入沥青混凝土性能的影响进行全面探究。

1原材料及试验方案

1.1原材料

研究选用的原材料包括矿粉、70#基质沥青，购于德嘉道路材料；玄武岩集料，购于重庆顿吉矿产有限公司；玄武岩纤维，购于常州巨贸新材料科技有限公司。原材料基本性能如表1～4所示。

1.2试件成型

设计AC-20型级配，并添加质量分数为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的玄武岩纤维，室内进行标准马歇尔试件以及旋转压实试件成型。通过钻芯取样，得到高度为150 mm、直径为10 mm的试件。利用切割机将旋转压实试件切割成厚度为5 mm的半圆试件，并设置深度为15 mm的预切缝。

2试验方案

通过劈裂强度试验比选出最佳纤维掺量，之后测试未加入纤维以及最佳纤维试件在-15 ℃、-5 ℃、5 ℃、15 ℃、25 ℃以及35 ℃下材料的劈裂强度、单轴动态模量，并进行浸水马歇尔稳定度测试，最后在不同温度下进行SCB半圆试件弯曲试验，利用DIC技术对加载过程进行全时域监测。试件成型及技术路线如图1所示。

2.1劈裂强度试验

将试件放入夹具，完成变形测定装置的安装；加载速率设置为50 mm/min，加载后设备的传感器将记录荷载与位移，并计算出劈裂抗拉强度，得出最佳纤维掺量。

2.2单轴压缩动态模量试验

将两组试件置于恒温箱，分别设置温度为-15 ℃、-5 ℃、5 ℃、15 ℃、25 ℃以及35 ℃进行恒温处理后，利用UTM试验机施加大小为0.7 MPa，频率分别为0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、5.0 Hz、10.0 Hz、25.0 Hz的荷载。通过试验，得到不同条件下试件的动态模量。

2.3马歇尔稳定度试验

首先将试件置于恒温水槽处理30 min，后将其安装在加载设备上，设置加载速率为50 mm/min，通过加载得到稳定度（MS）。对试件进行恒温水浴处理48 h，按照同样的步骤进行测试，得到试件浸水残留稳定度（MS1），稳定度（MS）与浸水残留稳定度（MS1）之比为马歇尔浸水稳定度（MS0）。

2.4基于数字散斑技术的SCB半圆弯曲试验

全场应变测试系统能根据目标点的追踪对试件加载过程中表面的应变场以及位移场进行无接触测量，通过变形前后目标点的坐标对试件进行全时域监测。目标点变形前后计算公式如下：

Cf，g（P）=∑Mx=-M∑My=-M（f（x，y）-fm∑Mx=-M∑M′y=-M′［f（x，y）-fm］2-

（g（x′，y′）-gm∑M′x=y-M′∑y=-M′∑g（x′，y）-gm2（1）

fm=∑Mx=-M∑My=-M［f（x，y）］2（2M+1）2（2）

gm=∑Mx=-M∑My=-M［g（x′，y′）］2（2M+1）2（3）

式中：f（x，y）、g（x′，y′）——变形前后源点与目标子区域在子区域中的坐标灰度值；

fm、gm——变形图像中的全局平均值；

M——局部位移场中每个数据点的局部坐标；

C——相关系数，取值0～1。

将两组试件置于UTM万能试验机进行三点弯曲加载，并利用DIC系统进行测试。设置加载速率为50 mm/min，根据试验得到加载过程中荷载位移曲线，并计算出峰值荷载以及断裂功，从而对纤维阻裂性能进行评价。

选取试件下边缘8个目标点，并进行编号，分别探究其水平位移以及竖向位移。试验细节如图2所示。

3结果与分析

3.1沥青混凝土劈裂抗拉强度试验结果分析

根据试验，得到常温下不同纤维掺量的沥青混凝土试件劈裂强度测试结果，如表5所示。

由表5可知，纤维能提高沥青混凝土的劈裂强度。当纤维掺量在0～0.3%范围内增加时，劈裂强度上升。当纤维掺量为0.4%时，劈裂强度变化较小；当纤维掺量为0.5%时，沥青混凝土的劈裂强度反而下降。

纤维能在混凝土中发挥桥接作用，从而提升沥青混凝土的劈裂强度，纤维掺量过高容易产生结团和离析，导致劈裂强度下降。综合比较，确定其最佳掺量为0.3%。

对两组试件不同温度劈裂强度进行测试，结果如图3所示。

由图3可知，温度为15 ℃时劈裂强度最高。温度过高，沥青流变性能增加；温度过低，沥青容易脆断。另外可以看到，温度范围内纤维的掺入均对沥青混合料的劈裂强度有提升，对高温和低温提升效果更加显著。

3.2沥青混凝土单轴动态模量结果分析

根据试验，得到两组沥青混凝土试件在不同温度不同加载频率下的单轴动态模量，结果如下页图4所示。

由图4可知，沥青混凝土的单轴动态模量随着温度的降低，加载频率的增大而增大。分析认为，温度降低会使沥青流动性减弱，材料抵抗外界变形的能力增强，弹性模量增大。由荷载产生的响应位移滞后于荷载本身，加载时沥青混凝土的响应位移未完全到达最大位移处，反方向的荷载开始作用于试件抵消原有位移，因此荷载频率越高响应位移越小，弹性模量越大。对比两组试件，玄武岩纤维的加入对单轴动态模量影响不大。

3.3沥青混凝土马歇尔稳定度试验结果分析

根据试验，得到两组沥青混凝土试件的MS、MS1与MS0，结果如下页图5所示。

由图5可知，掺入纤维试件的马歇尔稳定度为12.5 kN，浸水马歇尔稳定度为10.2 kN，残留稳定度为83.1%；未掺入纤维试件的马歇尔稳定度为12.4 kN，浸水马歇尔稳定度为10.3 kN，残留稳定度为81.6%。两组试件数据相差不大，可以认为纤维的掺入对马歇尔稳定度的影响不大。

3.4沥青混凝土半圆试件弯曲试验结果分析

根据半圆试件加载过程中得到的荷载位移曲线，得到沥青混凝土试件的峰值荷载以及断裂功，结果如图6所示。

将加载过程分为两个阶段：阶段Ⅰ为裂缝萌生，荷载逐渐上升至峰值荷载；阶段Ⅱ试件微观裂缝逐渐集成贯通，生成宏观裂缝并扩展，试件承载能力下降。由图6可知，未添加玄武岩纤维试件的峰值荷载为1.01 kN，断裂功为2.45 J；加入纤维试件的峰值荷载为1.07 kN，断裂功为4.32 J。纤维的加入延缓了试件裂缝的萌生以及扩展，并提高了试件的承载能力。

3.5沥青混凝土半圆试件水平方向位移分析

选取向左为正方向，对试件水平位移进行分析，结果如图7所示。

由图7可知，阶段Ⅰ试件表面几乎不发生水平位移，达到峰值荷载后，裂缝扩展，预切缝左端点向左移动，右端点向右移动。对比发现，未添加玄武岩纤维的试件在荷载位移7.7 mm时最大横向位移为5 mm左右，添加玄武岩纤维的试件为3.5 mm左右，可以认为纤维的添加减少了水平方向位移。

3.6沥青混凝土半圆试件竖直方向位移分析

选取向下为正方向，对试件水平位移进行分析，结果如图8所示。

由图8可知，阶段Ⅰ试件表面竖向位移几乎不发生。阶段Ⅱ试件L1、R4向上移动，其点向下移动。两组试件在荷载位移7.7mm时最大竖向位移分别为4mm左右以及3.2mm左右，纤维的加入同样延缓了试件表面竖向位移。

4结语

本文在沥青混凝土中加入玄武岩纤维，并探究其对沥青混凝土试件劈裂强度、动态模量、马歇尔稳定度的影响，并利用DIC技术对SCB半圆试件的加载进行了全时域监测，结论如下：

（1）玄武岩纤维能提升沥青混凝土的力学性能，对不同温度下沥青混凝土的劈裂强度提升较大，尤其对于低温条件下沥青混凝土的劈裂强度提升效果最明显。

（2）通过试验对沥青混凝土的单轴动态模量以及马歇尔稳定度进行测试，证实了玄武岩纤维的加入对沥青混凝土试件的单轴动态模量以及马歇尔稳定度影响不大。

（3）通过SCB半圆试件加载，结果表明纤维的掺入能提升试件的峰值荷载以及断裂功，并通过DIC测试系统进行分析，证实了纤维的掺入能延缓裂缝的发展，减缓荷载作用下试件表面位移。

参考文献：

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［2］张利冬.新旧沥青砂浆组成与热再生沥青混合料路用性能相关性研究［D］.南京：东南大学，2014.

［3］许婷婷，顾兴宇，倪富健.玄武岩纤维增强沥青混凝土试验与性能研究［J］.交通运输工程与信息学报，2011，9（2）：115-121.

［4］李俊峰，李文凯，李正强，等.玄武岩纤维排水高黏沥青混合料性能研究［J］.公路交通科技，2022，39（9）：1-8.

［5］闫景晨，郑建龙，李宁宁.玄武岩纤维沥青砂浆的抗裂性能研究［J］.建筑材料学报，2019，22（5）：800-804.

［6］徐刚，赵丽华，赵晶.玄武岩矿物纤维改善沥青混合料性能研究［J］.公路，2011（6）：167-171.

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［8］殷丹丹，常春清，王岚，等.基于DIC技术分析老化前后温拌胶粉改性沥青混合料的开裂特性［J］.材料导报，2021，35（24）：24088-24094.

作者简介：磨凤敏（1990—），工程师，主要从事道路工程建造研究方面的工作。

收稿日期：2024-05-18