劉朋飛，郭慶林

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

瀝青路面的開(kāi)裂是一種常見(jiàn)的破壞形式,不僅會(huì)使水滲入到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部,加速瀝青路面的破壞,同時(shí)會(huì)影響行車的舒適度和安全性。因此控制瀝青路面的開(kāi)裂十分必要,研究人員根據(jù)裂紋面的受力情況和斷裂特征將裂紋分為三種類型[1]：I 型(張開(kāi)型）、II 型(滑開(kāi)型）、III 型(撕開(kāi)型）,單純的溫度變化所引起的開(kāi)裂屬于I型斷裂模式,行車荷載和溫度所引起的開(kāi)裂屬于I/II 型混合斷裂模式。

眾所周知,纖維的加入可以改變?yōu)r青混合料的抗裂性能,提高瀝青混合料的低溫延性,而目前纖維種類眾多,常用的有聚酯纖維、木質(zhì)纖維、玻璃纖維等。由于其良好的界面浸潤(rùn)性,玻璃纖維能與瀝青膠漿粘結(jié)強(qiáng)度高,是一種良好的增韌纖維[2]。和燕超等[3]分析了玻璃纖維對(duì)瀝青混合料的路用性能影響,結(jié)果表明玻璃纖維可以顯著增強(qiáng)瀝青混合料的路用性能,沈楸等[4]則指出玻璃纖維可以提高熱拌瀝青混合料的穩(wěn)定性,且最佳含量宜為0.2%。以上研究表明,玻璃纖維增強(qiáng)瀝青混合料正引起越來(lái)越多的關(guān)注,而且玻璃纖維的增強(qiáng)效果好于其他纖維。

在瀝青混合料抗裂性評(píng)價(jià)方面,通常采用預(yù)制切縫小梁彎曲試驗(yàn)[4-5]、間接拉伸試驗(yàn)[6-7]及半圓彎曲試驗(yàn)(SCB)[8-10]來(lái)研究斷裂模式。在這些方法中,SCB 由于試件制作簡(jiǎn)單,可通過(guò)調(diào)整支撐和切縫的位置實(shí)現(xiàn)對(duì)不同斷裂模式(I 型、II 型和I/II 型）的分析,在瀝青混合料斷裂力學(xué)分析中得到了廣泛應(yīng)用。Lim 等[11]通過(guò)有限元方法計(jì)算了半圓彎拉試驗(yàn)中各種幾何尺寸下的應(yīng)力強(qiáng)度因子， 指出隨著支座間距的減小或裂縫角度和長(zhǎng)度的增加,開(kāi)裂模式逐漸從I 型轉(zhuǎn)化成II 型。S.Pirmohammad等[12]研究了瀝青混凝土在不同加載模式和溫度下的抗斷裂性能,隨著溫度的降低,不同加載模式下的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子都會(huì)增加,但在-20℃時(shí)達(dá)到最大。通過(guò)提高剪切荷載的比例或通過(guò)降低Me,瀝青混合料的抗斷裂性能(Keff）先減小后增加。Mansourian 等[13]調(diào)查了黃麻纖維含量對(duì)瀝青混合料斷裂模式的影響,結(jié)果表明臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著溫度的降低而增加,黃麻纖維改善了模式I 和混合模式I/II(Me= 0.5）的抗斷裂性能,在模式II 和混合模式I/II(Me=0.2）時(shí)抗斷裂性能沒(méi)有改善,說(shuō)明黃麻纖維對(duì)瀝青混合料不同斷裂性能的改善效果是不一樣的。

綜合以上兩方面分析看出,雖然玻璃纖維對(duì)增強(qiáng)瀝青混合料的抗裂性具有積極作用,但并不一定對(duì)所有開(kāi)裂模式都具有增強(qiáng)作用(比如黃麻纖維）。對(duì)玻璃纖維在不同斷裂模式下的增韌效果進(jìn)行分析是十分必要的。而半圓彎拉試驗(yàn)則非常適合對(duì)斷裂模式進(jìn)行測(cè)定。因此,本文通過(guò)研究玻璃纖維增強(qiáng)瀝青混合料的制備方法,制備玻璃纖維增強(qiáng)瀝青混合料及半圓彎拉試件,利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了非對(duì)稱半圓彎拉試驗(yàn),從而分析玻璃纖維瀝青混合料在中溫和低溫狀態(tài)下的斷裂性能。

1 原材料

1.1 瀝青和級(jí)配

本文實(shí)驗(yàn)所用的瀝青為茂名石化工業(yè)生產(chǎn)的AH-70# 路面石油瀝青,其基本性能見(jiàn)表1。表2 為所選用的集料的基本性質(zhì)。根據(jù)JTG F40-2004 中推薦的級(jí)配范圍,選用AC-13 級(jí)配作為本試驗(yàn)級(jí)配,級(jí)配曲線如圖1 所示。

表1 AH-70# 瀝青主要技術(shù)性能指標(biāo)Table 1 Main technical performance indicators of AH-70# asphalt

表2 集料的基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of aggregates

圖1 AC-13 級(jí)配曲線Fig.1 Gradation curve of AC-13

1.2 玻璃纖維

如圖2 所示,試驗(yàn)選用長(zhǎng)度為12mm 的玻璃纖維。玻璃纖維的基本性質(zhì)見(jiàn)表3。

圖2 玻璃纖維Fig.2 Glass fibre

表3 玻璃纖維的物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of glass fiber

2 試驗(yàn)

2.1 玻璃纖維瀝青混凝土的準(zhǔn)備方法

首先,對(duì)集料、礦粉、玻璃纖維進(jìn)行稱重,并在160℃的烘箱中放置6h,瀝青在160℃的烘箱中放置3h即可,避免瀝青老化。之后把集料放入拌合機(jī)中進(jìn)行攪拌,拌合機(jī)的溫度控制在160℃。然后放入瀝青充分?jǐn)嚢?使瀝青均勻地分布在集料上。之后加入一半的纖維進(jìn)行第一次攪拌,攪拌結(jié)束后加入礦粉進(jìn)行第二次攪拌,最后加入剩余的纖維進(jìn)行第三次攪拌。這樣做的目的是確保纖維均勻分布在瀝青混合料中。再將攪拌均勻的瀝青混合料放入擊實(shí)儀試模中擊實(shí),根據(jù)JTG E20-2011[14],馬歇爾試件兩面各擊實(shí)112 次。將放置24h 以上的試件進(jìn)行脫模,之后把尺寸為152.4mm×95.3mm 的馬歇爾試件切割成4 個(gè)SCB 試件， 切割后的SCB 試件的物理性質(zhì)見(jiàn)表4。

表4 不同類型SCB 試件的物理性質(zhì)Table 4 Physical properties of different types of SCB specimens

2.2 SCB 試驗(yàn)

參照非對(duì)稱半圓彎拉試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?對(duì)半圓試件進(jìn)行切縫處理,裂縫深度為20mm,切割后裂縫寬度為5mm。切割完成后,將半圓試件放入40℃烘箱內(nèi)烘干24h,然后將SCB 試件分別放入-10℃和20℃的保溫箱中保溫24h,利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行半圓彎拉試驗(yàn),加載位移速率設(shè)置為1mm/min,試驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)時(shí)記錄荷載與跨中底部豎向位移。試驗(yàn)過(guò)程如圖3 所示。

圖3 半圓彎曲實(shí)驗(yàn)Fig.3 Semicircular bending test

參照A.Razmi[15]的論文中的應(yīng)力強(qiáng)度因子及斷裂模式,通過(guò)調(diào)整支座位置和切縫位置可以實(shí)現(xiàn)不同模式的斷裂 (I 型、II 型和I/II 型混合模式),模式混合參數(shù)(Me）用來(lái)描述模式I、模式II 之間的權(quán)重關(guān)系,其公式為：

式(1) 中:KI表示純I 型斷裂模式下的應(yīng)力強(qiáng)度因子,KII表示純II 型斷裂模式下的應(yīng)力強(qiáng)度因子,通過(guò)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 之間。隨著Me的增加,剪應(yīng)力逐漸減小,張拉應(yīng)力逐漸增加,因此可以通過(guò)Me的大小來(lái)描述不同的加載模式。表5 中YI、YII的取值是通過(guò)以下公式求得：

其中YI、YII是SCB 試件的形狀、尺寸以及裂縫的位置和深度對(duì)其應(yīng)力強(qiáng)度因子影響的幾何參數(shù)。

不同斷裂模式對(duì)應(yīng)的支座位置、裂縫位置、模式混合參數(shù)Me、應(yīng)力強(qiáng)度因子(KI和KII）、幾何參數(shù)(YI和YII）見(jiàn)表 5。

表5 不同模式下SCB 試件的幾何因子Table 5 Geometric factors of SCB specimens in different modes

利用YI、YII的公式和試驗(yàn)測(cè)得的最大荷載Pcr,通過(guò)以下公式可得到相應(yīng)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Keff：

式(4)中KIf為純I 型斷裂模式的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子,KIIf為純II 型斷裂模式的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。

對(duì)于I/II 型斷裂模式的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子可用Keff表示,其公式為：

式(5)可以看出，當(dāng)為純I 型斷裂模式時(shí),KIIf=0,即Keff=KIf。當(dāng)為純 II 型斷裂模式時(shí),KIf=0,即Keff=KIIf。因此,可以通過(guò)Keff來(lái)表示不同斷裂模式下的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。

除了臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子,斷裂能也是評(píng)價(jià)瀝青混合料抗裂性能的一個(gè)重要指標(biāo)。斷裂能是指裂縫面從位移為零直到完全分離所消耗的能量,是內(nèi)聚力模型的參數(shù)之一,可以從荷載和位移兩方面分析瀝青混凝土的抗裂性能,斷裂能越大說(shuō)明瀝青混合料的抗裂性能越好。通過(guò)半圓彎曲試驗(yàn)可以得到荷載-跨中底部豎向位移曲線,然后計(jì)算荷載- 位移曲線下的包絡(luò)面積可以得到斷裂能[16]。

由于試件厚度和切口長(zhǎng)度對(duì)斷裂能也有一定的影響,故本文引入了臨界斷裂能,臨界斷裂能是通過(guò)預(yù)切口為20mm 的半圓形試件的荷載- 位移曲線求得[17],計(jì)算公式為：

式(6）中：W為荷載- 位移曲線下的面積(J）;B為試件厚度(mm）;R為試件半徑(mm）;a為預(yù)切口長(zhǎng)度(mm）;A為斷裂面積/mm2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子(Keff)

兩種溫度下,不同瀝青混合料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Keff隨Me的變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 不同斷裂模式的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KeffFig.4 Critical stress intensity factors for diff erent fracture modes

由圖4 可見(jiàn),在不同溫度條件下,隨著Me的增加,臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Keff呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì),兩種溫度下,臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的最小值均出現(xiàn)在Me=0.2 時(shí),并且在Me=1 時(shí)達(dá)到最大值,這說(shuō)明純I 型模式會(huì)高估瀝青混凝土的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Keff,應(yīng)以混合模式條件下的Keff作為抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo), -10℃時(shí),玻璃纖維提高了純II 型和I/II 型混合模式的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子,而對(duì)純I 型效果不明顯,20℃時(shí),與基質(zhì)瀝青混合料相比,不同斷裂模式下的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子均有所降低,這主要是由于玻璃纖維與瀝青膠漿的粘結(jié)強(qiáng)度降低所導(dǎo)致的。由于瀝青用量保持不變,玻璃纖維表面吸收了部分自由瀝青,導(dǎo)致石料表面裹覆的瀝青膜厚度變小,最終導(dǎo)致了瀝青混合料強(qiáng)度的降低。這也說(shuō)明在確定玻璃纖維改性瀝青混合料的油石比時(shí),除了采用馬歇爾方法之外,還需要考慮纖維對(duì)瀝青混合料中低溫抗裂性能的改善情況。

3.2 臨界斷裂能(GF)

兩種溫度下,加入玻璃纖維后的臨界斷裂能GF隨加載模式參數(shù)Me的變化規(guī)律如圖5 所示。

圖5 不同斷裂模式的臨界斷裂能GFFig.5 Critical fracture energy of different fracture modes

由圖5 可知,在中、低溫環(huán)境下,玻璃纖維增強(qiáng)瀝青混合料的臨界斷裂能明顯高于基質(zhì)瀝青混合料,玻璃纖維增加了瀝青混合料抵抗開(kāi)裂的能量。此外,基質(zhì)瀝青混合料的臨界斷裂能隨著模式參數(shù)Me的增大呈單調(diào)遞增的趨勢(shì),而玻璃纖維增強(qiáng)瀝青混合料的臨界斷裂能隨Me的增大先增大后降低,在Me=0.5 時(shí)達(dá)到最大值,這說(shuō)明加入玻璃纖維后,顯著提升了I/II 型混合模式的抗裂性能。

4 結(jié)論

使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)SCB 試件進(jìn)行半圓彎曲試驗(yàn),分析了中低溫狀態(tài)下,玻璃纖維對(duì)瀝青混合料不同斷裂模式下的抗裂性能,通過(guò)本文研究得到如下結(jié)論：

(1）溫度對(duì)瀝青混凝土臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子影響顯著,Keff隨著溫度的降低而增加。不同溫度下,隨著加載模式參數(shù)Me的增加臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子先減小后增加,Keff的最小值均出現(xiàn)在Me= 0.2 時(shí)。在-10℃時(shí)加入玻璃纖維會(huì)增加Keff,在20℃加入反而會(huì)降低,臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子對(duì)低溫的敏感性優(yōu)于中溫。

(2）溫度對(duì)瀝青混凝土臨界斷裂能有顯著影響,GF隨著溫度的降低而增加,基質(zhì)瀝青混合料的臨界斷裂能隨著模式參數(shù)Me的增大呈單調(diào)遞增的趨勢(shì),玻璃纖維增強(qiáng)瀝青混合料的臨界斷裂能隨Me的增大先增大后降低,在Me=0.5 時(shí)達(dá)到最大值。

(3）純I 型或純II 型斷裂模式會(huì)高估瀝青混凝土的抗裂性能,加入玻璃纖維可以顯著提高瀝青混凝土I/II開(kāi)裂模式的增韌效果。