纤维沥青混凝土抗裂性能的研究

　　［摘 要］

　　目前采用纤维沥青混凝土来提高路面的抗裂能力越来越受重视。首先通过小梁弯曲试验，得到材料的弯拉强度、破坏应变等基本的力学参数指标。然后利用断裂力学知识，通过带切口小梁弯曲试验，引入J积分概念，得到材料的延性断裂韧度JIC ，以此评价材料的抗裂性能。

　　［关键词］

　　纤维沥青混凝土  弯拉强度  J积分  断裂韧度

　　一、前言

　　目前国内的高等级道路大多数采用半刚性基层，因为半刚性材料有较高的强度和良好的稳定性，延长了道路的使用寿命，但随之却在使用早期出现比柔性基层沥青路面多而频繁的裂缝，这些裂缝的出现，尤其是反射裂缝，会使水渗入路面路基结构，减弱其整体结构强度，还容易引起沥青面层较快地出现龟裂等。因此，防止裂缝的相应措施已成为道路工作者的关注重点，其中采用改善面层材料性能来提高路面抗裂能力的方法越来越受重视。

　　对于面层抗裂性能的研究，目前主要通过采用聚合物改性沥青，提高沥青混合料的低温柔韧性，减少裂缝出现的几率。与改性沥青相比，纤维在沥青混合料中的作用同样能改善高低温性能，一个突出的特点是能阻止裂缝的扩展，包括温缩裂缝和反射裂缝。因此近年来对纤维沥青混合料的研究和应用越来越广泛。沥青混合料的低温抗裂能力与它在低温下的抗拉强度、松弛能力，以及收缩性质等有关。通过纤维沥青混凝土小梁弯曲试验和断裂试验，可以得到材料的弯拉强度、劲度模量、破坏应变、断裂韧度等力学参数，由此可以分析纤维沥青混凝土的抗裂性能。

　　二、纤维沥青混凝土小梁弯曲试验

　　（1）试验材料及方法

　　试验用的沥青混凝土选择比较常用的防滑面层材料AK-13A型沥青混合料，沥青为ESSO70#重交沥青，沥青用量为4.7%，纤维为聚丙烯腈纶纤维，纤维用量分别为集料总重的0.1%和0.2%，沥青混凝土梁由轮碾法成型的沥青混合料试块切割而成，尺寸为250mm×50mm×50mm，跨径200mm，高跨比W/L为4。小梁的编号为M0、M0.1和M0.2，所对应的混合料纤维用量分别为0、0.1%和0.2%。

　　沥青混凝土小梁弯曲试验在MTS810试验机上完成，加载方式采用应变控制模型，加载速率为1mm/min，由计算机完成应力-应变数据的采集。试验温度为0℃和-12℃。

　　（2）劲度模量和破坏应变计算公式

　　沥青混凝土小梁的弯拉模量E 和破坏应变ε的计算公式如下:

　　式中: PS ---极限荷载，N ；

　　L ---跨径，为200mm ；

　　b ---梁宽，为50mm ；

　　h ---梁高，为50mm ；

　　δ---极限荷载时的跨中变形，mm

　　（3）小梁弯曲试验结果分析

　　在加载初期，M0.1和M0.2纤维沥青混凝土的曲线斜率比普通沥青混凝土M0的大，即前者具有较大的劲度，因为纤维在其中起到了加劲作用，它减小了沥青混凝土的响应。当达到材料极限荷载时，M0几乎同时发生断裂，表现为脆断。而M0.1和M0.2具有与金属相同的塑性特征，存在明显的屈服阶段，此时纤维的桥联作用使材料仍具有一定的承载能力，直至纤维从沥青中拔出或断裂而引起失稳断裂。

　　其次一个显着的特点是纤维明显提高了沥青混凝土的破坏应变。在沥青混合料中加入纤维后，虽然破坏荷载变化较小，但破坏应变增大幅度较大。与M0普通沥青混凝土相比，在0℃时，M0.1和M0.2纤维沥青混凝土破坏应变分别提高30.6%和50%，而在-12℃破坏应变提高35.9%和65.6%，可见纤维对沥青混凝土变形能力的改善效果非常显着，并且这种改善效果随纤维用量增大而提高。另外可以看出，当温度从0℃降低到-12℃，未加纤维的沥青混凝土破坏应变降低较多，即材料变得更脆。而纤维沥青混凝土仍然保持一定的破坏应变，如纤维用量为0.2%的纤维沥青混凝土在0℃和-12℃温度条件下的破坏应变分别为0.0108和0.0106 ，几乎相等。若从弯拉模量来看，M0.1和M0.2的弯拉模量比M0小，低温变形能力更好，从而具有较好的抗裂能力。

　　另外也可根据荷载-挠度曲线，计算曲线以下的面积，即材料的韧度，来反映材料抵抗破坏的能力。正因为纤维沥青混凝土在加载至破坏过程中需要经历一段较长的屈服阶段，其韧度明显比普通沥青混凝土大。

　　三、带切口弯曲梁试验

　　对于许多路面来说，在沥青面层施工之前，半刚性基层由于未养护好而产生了裂缝。这些微小裂缝在面层底部产生应力集中现象，在温度和荷载的反复作用之下，这些裂缝将反射至面层。为模拟该现象，设计了带切口弯曲梁试验，并引入断裂韧度JIC参数来评价材料的抗裂能力。

　　1、J积分的测试方法

　   其中L、B和W分别为试件的长宽高，a为初始裂纹长度，P为荷载，PS为破坏荷载，Up和Ue分别为塑性应变能和弹性应变能，ΔP和Δe分别为塑性变形和弹性变形。

　　其中U为形变功。对一定的P、Δ值，曲线下包围的面积即为形变功U，然后根据U、B、W即可求得相应的J。

　　为考虑温度对材料断裂参数的影响，采用了两个试验温度，0℃和- 12℃。M0、M0.1和M0.2三点弯曲试验。

　　以上计算的U为荷载达到极限值PS时的形变能，此时材料处于临界状态。定义材料处于临界状态的J积分为延性断裂韧度JIC，其值越大，说明材料的抗裂能力越大。JIC包括弹性部分Je和塑性部分Jp ，可通过相关公式计算。

　　2、带切口小梁弯曲试验结果分析

　　（1）纤维用量对JIC的影响分析

　　在沥青混合料中加入纤维之后，纤维通过与沥青、玛蹄脂的改善作用，最终提高了混合料的整体韧度，在裂缝扩展之前具有比较明显的屈服阶段，表现为延性断裂。在0℃和-12℃时，未加纤维的沥青混合料M0的JIC较小，并且大部分为弹性分量Je，其所占比例分别为74.9%和97.1%； 纤维用量为0.1%的沥青混合料M0.1和Je所占比例为35.7%和60.9%；纤维用量为0.2%的沥青混合料M0.2的Je所占比例为37.1%和36.8%。一般说来，J越大，材料的抗裂能力越大，而J中弹性分量Je和塑性分量Jp的比例也对其影响很大。因为构成Je的形变功是弹性功，以可逆形式存在于结构中，在裂纹扩展过程中将释放出来，助长裂纹开裂; 而构成Jp的是塑性功，消耗于塑性变形，为不可逆，对以后的裂纹扩展不构成威胁。故大的Je或大的Jp，均有可能得到大的J，但只有大的Jp，才有可能得到大的阻力曲线斜率dJ/da。本试验未测定材料的Jr阻力曲线，仅分析了起裂点的JIC，未能更好地说明纤维在混合料裂缝扩展过程的作用。但JIC已经很好地说明，纤维在沥青混合料中的阻裂作用非常明显。随着纤维用量的增加，JIC 增加较大，并且Jp所占比例越大，材料表现出更好地延性。

　　（2）温度对JIC的影响分析

　　温度影响沥青混凝土的劲度，温度越低，劲度越大，材料特征主要表现为弹性，断裂为脆性断裂。M0的JIC由0℃时的0.3853MP·mm，降至-12℃的0.2883MPa·mm，主要是由于Jp减少，-12℃时的Jp值几乎为0，材料几乎为完全弹性体。M0.1在温度降低过程中Je提高，Jp降低，因此Je所占比例明显提高，材料的韧性降低； M0.2当温度下降时，Je和Jp同时降低，但Jp仍保持较高的比例，材料起裂时仍具有明显的屈服阶段，表现为韧断。

　　四、结语

　　(1) 通过沥青混凝土小梁弯曲试验表明，纤维沥青混凝土的弯拉强度变化较小，而破坏应变明显提高，提高幅度达到30%～65%。当温度下降时，普通沥青混凝土的破坏应变降低较快，脆性增加，而纤维沥青混凝土的破坏应变变化很小，材料达到极限承载能力之前具有比较明显的屈服阶段，材料的韧性增加，从而抗裂能力得到了提高。

　　(2) 根据带切口三点弯曲梁试验的荷载-变形曲线，分析了纤维沥青混凝土的断裂特征，并提出J积分判据来分析纤维沥青混凝土的断裂问题。试验研究表明，纤维的加入显着地提高了沥青混合料的塑性功，即在塑性变形阶段，主要由纤维从混合料中拔出或断裂，增加了裂纹扩展的应变能，抗裂能力得到明显提高。

　　(3) 从断裂韧度与温度的关系中分析得出，纤维的加入明显提高了材料的韧度，纤维沥青混凝土保持一定的塑性和变形能力，在很低的温度环境下仍保持较好的抗裂性能。

　　参考文献

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