丁皓, 肖鵬,2*, 夏炎, 寇長江, 陸鵬程

(1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué) 城市規(guī)劃與發(fā)展研究院，江蘇 揚(yáng)州 225127；3.江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210046；4.江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210049)

0 引言

瀝青路面是我國高等級(jí)道路的主要形式，但是隨著交通量的增多，柔性路面會(huì)出現(xiàn)裂縫、松散和車轍病害。在使用過程中病害最初都是以開裂的形式出現(xiàn)的，開裂后的路面會(huì)造成應(yīng)力集中進(jìn)而引起其他病害，因此抑制路面開裂是研究的重點(diǎn)[1-2]。玄武巖纖維具有較好的力學(xué)性能，并起到增韌阻裂的作用，在瀝青混合料中摻入玄武巖纖維有利于提升路面的抗開裂能力[3-4]；但是，由于瀝青混合料是由瀝青、骨料、礦粉等材料組成，以及具備級(jí)配和最大公稱粒徑等技術(shù)特征，因此探究玄武巖纖維對(duì)不同類型混合料的增強(qiáng)效應(yīng)更具有實(shí)用價(jià)值。

研究發(fā)現(xiàn)，相比于間接拉伸試驗(yàn)、小梁三點(diǎn)彎拉試驗(yàn)，半圓彎拉(semicircular bending tension, SCB)試驗(yàn)更適用于評(píng)價(jià)熱拌瀝青混合料的抗開裂性能，且SCB試件受力狀態(tài)更接近于實(shí)際瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)[5-8]。SCB試驗(yàn)應(yīng)用于評(píng)價(jià)熱拌瀝青混合料開裂性能的研究已經(jīng)有很多，并采用不同的評(píng)價(jià)方法對(duì)SCB試驗(yàn)得到的混合料斷裂性能等結(jié)果進(jìn)行分析[9-10]。國內(nèi)外學(xué)者采用半圓彎拉試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗裂能力大都根據(jù)J積分理論，表征其裂縫發(fā)展程度則采用臨界應(yīng)變能釋放率Jc[11-12]。部分學(xué)者根據(jù)瀝青混合料的斷裂韌度和裂縫的發(fā)展情況評(píng)價(jià)材料的抗裂性能[13-14]。

因此，有必要選擇更加完整合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)玄武巖纖維瀝青混合料的抗裂縫擴(kuò)展性能。采用AASHTO TP124-IL-SCB標(biāo)準(zhǔn)中的斷裂能(fracture energy，Gf)、柔性指數(shù)(flexibility index, FI)等指標(biāo)來評(píng)價(jià)玄武巖纖維對(duì)混合料抗裂性能的影響，以期為其在工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

表1為所采用木質(zhì)素纖維的性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果，表2為玄武巖纖維性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果。瀝青性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果見表3，集料為玄武巖和石灰?guī)r，礦粉采用石灰石礦粉，其性能均滿足規(guī)范要求。

表2 玄武巖纖維性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果

表3 瀝青性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果

1.2 配合比設(shè)計(jì)

SMA-13和Superpave級(jí)配瀝青混合料設(shè)計(jì)見表4。根據(jù)課題組前期的研究基礎(chǔ)，玄武巖纖維的最佳摻量為0.3%，最佳長度為與最大公稱粒徑相關(guān)，最大公稱粒徑13、20、25 mm的混合料的最佳纖維長度分別為6、9、12 mm[15]，因此最終不同級(jí)配類型瀝青混合料組成見表5。

表4 SMA-13和Superpave級(jí)配瀝青混合料設(shè)計(jì)

表5 不同級(jí)配類型瀝青混合料組成

1.3 半圓彎拉試驗(yàn)

采用美國AASHTO標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法中半圓彎曲試驗(yàn)方法測(cè)試常溫下瀝青混合料的裂縫擴(kuò)展性能，用UTM材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)量程為25 kN，精度為0.001 kN,加載速率為50 mm/min。測(cè)試過程如圖1所示。試驗(yàn)后的開裂試件如圖2所示。

圖1 半圓彎拉試驗(yàn)

圖2 開裂后的試件

1.3.1 試件成型

半圓彎拉試驗(yàn)可測(cè)試半徑75 mm，厚度50 mm底部帶預(yù)切縫的標(biāo)準(zhǔn)半圓形試件。結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)室成型或現(xiàn)場(chǎng)取芯的試樣都可以在切割后進(jìn)行測(cè)試。采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法成型半徑75 mm、高度160 mm和目標(biāo)空隙率(7.0%±0.5%)的標(biāo)準(zhǔn)試件，試驗(yàn)溫度為(25±0.5)℃，試驗(yàn)前需將試件在(25±0.5)℃養(yǎng)護(hù)2 h以上，并在取出后的5 min中內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 SCB試驗(yàn)原理與參數(shù)計(jì)算

該試驗(yàn)基于斷裂力學(xué)理論，試驗(yàn)方法用于確定瀝青混合料在中溫下的抗裂能力，通過計(jì)算不受斷裂面積大小影響的載荷-位移曲線下的面積，得到了斷裂能量。試驗(yàn)過程主要表征瀝青混合料帶裂縫工作過程中的抗裂縫擴(kuò)展性能，因此需要對(duì)試件進(jìn)行預(yù)切，試驗(yàn)規(guī)范要求切口深度為(15±1)mm和寬度為(1.5±0.1)mm(如圖4所示)。試驗(yàn)過程中典型的荷載與位移曲線如圖3所示。

圖3 韌性區(qū)長度和預(yù)切縫長度示意圖

圖4 典型SCB試驗(yàn)荷載-位移曲線

SCB試驗(yàn)抗裂參數(shù)計(jì)算如公式(1)—(3)所示，斷裂功(work of fracture,Wf)的物理意義為試件開裂全過程中做的總功，由計(jì)算試驗(yàn)荷載-位移曲線下包圍面積得到。Gf為量化表征瀝青混合料抗開裂損傷的整體能力，隨試件缺口長度與半徑比變化，一般來說，混合料的斷裂能越高就可以抵抗更大的應(yīng)力即抗開裂損傷能力越強(qiáng)。m為荷載位移曲線峰后段拐點(diǎn)線率，根據(jù)中溫條件下得到的斷裂參數(shù)計(jì)算FI，其計(jì)算過程需考慮斷裂能量和荷載-位移曲線峰值后的斜率，得到的FI能夠綜合地反映裂縫擴(kuò)展速率和混合料抵抗裂縫擴(kuò)展的能力,該值越大表明混合料性能越好。

(1)

Arealig=L×t，

(2)

(3)

式中：Gf為斷裂能，J·m-2；Wf為斷裂功，J；Arealig為韌性區(qū)面積，mm2；L為韌性區(qū)長度，mm，如圖4所示；t為試件厚度，mm；|m|為峰后斜率絕對(duì)值，kN·mm-1；A為單位轉(zhuǎn)換值，0.01。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)10種瀝青混合料進(jìn)行半圓彎拉試驗(yàn)，每組試驗(yàn)取4個(gè)平行試件，半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果

2.1 玄武巖纖維對(duì)不同瀝青種類混合料抗裂性能影響

對(duì)比分析表4中編號(hào)6和8中的數(shù)據(jù)，混合料類型為Superpave-20，瀝青種類分別為SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，探究在不同瀝青種類的混合料在加入玄武巖纖維后的抗裂性能的變化規(guī)律，不同瀝青種類混合料SCB實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

(a)斷裂能

① 對(duì)比圖5中Superpave-20基質(zhì)瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果，摻入玄武巖纖維的Superpave-20基質(zhì)混合料對(duì)比未摻入玄武巖纖維的Gf增量為1 120.6 J/m2，增幅為25.4%；柔性指數(shù)的增長量為13.49，增幅為42.1%。

② 對(duì)比圖5中Superpave-20 SBS改性瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果，摻入玄武巖纖維的Superpave-20 SBS改性混合料對(duì)比未摻入玄武巖纖維的Gf增長量為2 198.5 J/m2，增幅為30.8%；FI增量為41.36，增幅為95.6%。

③ 玄武巖纖維在不同瀝青種類混合料中增強(qiáng)效應(yīng)不同：對(duì)于Gf的影響，從絕對(duì)值上看，玄武巖纖維對(duì)SBS改性瀝青混合料的增強(qiáng)效應(yīng)為基質(zhì)瀝青混合料的1.9倍；但是，由于SBS的基礎(chǔ)值較高，因此增幅相比優(yōu)勢(shì)不大。對(duì)于FI的影響，從絕對(duì)值上分析玄武巖纖維對(duì)SBS改性瀝青混合料的增強(qiáng)效應(yīng)為基質(zhì)瀝青混合料的3.1倍，相對(duì)值為2.3倍，因此，相比于基質(zhì)瀝青混合料，SBS改性瀝青混合料的抗裂性能得到更大幅的提高。

2.2 玄武巖纖維對(duì)不同最大公稱粒徑瀝青混合料抗裂性能影響

對(duì)比分析表4中編號(hào)3、4、7、8中的數(shù)據(jù)，混合料類型分別為Superpave-13和Superpave-20，探究不同最大公稱粒徑混合料在加入玄武巖纖維后抗裂性能的變化規(guī)律，不同最大公稱粒徑混合料SCB試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

(a)斷裂能

① 對(duì)比圖6中，Superpave-13 SBS改性瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果，摻入玄武巖纖維的Superpave-13 SBS改性混合料的Gf對(duì)比未摻入玄武巖纖維的增量為2 067 J/m2，增幅為42.0%；FI的增量為39.8，增幅為92.7%。

② 對(duì)比圖6中，Superpave-20 SBS改性瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果，摻入玄武巖纖維的Superpave-20 SBS改性混合料的Gf對(duì)比未摻入玄武巖纖維的增量為1 695.5 J/m2，增幅為30.8%；FI的增量為43.36，增幅為95.6%

③ 玄武巖纖維在不同最大公稱粒徑瀝青混合料中增強(qiáng)效應(yīng)不同：對(duì)于Gf的影響，從絕對(duì)值上看，玄武巖纖維對(duì)細(xì)粒徑瀝青混合料的增強(qiáng)效應(yīng)是粗粒徑瀝青混合料的1.2倍，相對(duì)值為1.3倍；對(duì)于FI的影響，從絕對(duì)值上看，玄武巖纖維對(duì)細(xì)粒徑瀝青混合料的增強(qiáng)效應(yīng)為粗粒徑瀝青混合料的0.92倍，相對(duì)值為0.96倍，因此，玄武巖纖維對(duì)細(xì)集料的抗開裂損傷的整體能力增強(qiáng)效應(yīng)更高，而對(duì)粗集料的抗裂縫開展能力增強(qiáng)效應(yīng)更高。

2.3 玄武巖纖維在不同級(jí)配瀝青混合料的抗裂性能影響

對(duì)比分析表4中編號(hào)1、2、3、4中的數(shù)據(jù)，混合料類型分別為間斷級(jí)配的SMA-13和連續(xù)級(jí)配的Superpave-13，瀝青種類為SBS改性瀝青，玄武巖纖維摻量為0.3%，探究不同級(jí)配類型加入玄武巖纖維后抗裂性能的變化規(guī)律,不同級(jí)配瀝青混合料SCB試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

(a)斷裂能

① 通過對(duì)摻入玄武巖纖維和未摻入玄武巖纖維的SMA-13改性瀝青混合料的對(duì)比，可以明顯看出，摻入玄武巖纖維的SMA-13 SBS改性混合料的Gf增量為1 048.04 J/m2，增幅為16.1%；FI的增量為36.92，增幅為66.3%。

② 對(duì)比圖7中Superpave-13 SBS改性瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果，摻入玄武巖纖維的Superpave-13 SBS改性混合料的Gf對(duì)比未摻入玄武巖纖維的增量為2 067 J/m2，增幅為42.0%；FI的增量為39.8，增幅為92.7%。

③ 對(duì)于不同級(jí)配類型瀝青混合料，玄武巖纖維對(duì)其增強(qiáng)效應(yīng)不同：對(duì)于Gf的影響，從絕對(duì)值上看，玄武巖纖維對(duì)連續(xù)級(jí)配的混合料的增強(qiáng)效應(yīng)為間斷型級(jí)配的1.97倍，相對(duì)值為2.6倍；對(duì)于FI的影響，從玄武巖纖維對(duì)連續(xù)級(jí)配的混合料的增強(qiáng)效應(yīng)為間斷型級(jí)配的1.1倍，相對(duì)值為1.3倍，因此，玄武巖纖維對(duì)連續(xù)級(jí)配的瀝青混合料的抗開裂損傷的整體能力和抗裂縫擴(kuò)展性能增強(qiáng)效應(yīng)優(yōu)于間斷型級(jí)配的瀝青混合料的。

3 結(jié)論

利用SCB試驗(yàn)，采用斷裂能Gf和柔性指數(shù)FI 2個(gè)指標(biāo)對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料的抗裂性能進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

① 玄武巖纖維因其在瀝青膠結(jié)料中形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)瀝青混合料形成了加筋作用，可以大幅提升瀝青混合料的抗開裂性能，延緩開裂速率。

② 在不同瀝青種類的混合料中，改善效益不盡相同：相比于基質(zhì)瀝青混合料，SBS改性瀝青混合料的抗裂性能得到更大幅的提高。

③ 在不同最大公稱粒徑瀝青混合料中增強(qiáng)效應(yīng)不同：玄武巖纖維對(duì)細(xì)粒徑瀝青混合料的抗裂縫擴(kuò)展性能的增強(qiáng)效應(yīng)優(yōu)于粗粒徑混合料，而玄武巖纖維對(duì)細(xì)粒徑瀝青混合料的抗裂縫發(fā)展速度的增強(qiáng)效應(yīng)不如粗粒徑瀝青混合料的。

④ 在不同級(jí)配類型瀝青混合料中增強(qiáng)效應(yīng)不同，玄武巖纖維對(duì)連續(xù)級(jí)配的瀝青混合料的抗裂縫擴(kuò)展性能的增強(qiáng)效應(yīng)和開裂縫開展速度均優(yōu)于間斷型級(jí)配的瀝青混合料的。