纤维沥青混合料的疲劳性能探究

摘要：本文在对纤维作用机理分析的基础上，通过掺加不同的纤维类型，对比分析了沥青混合料的疲劳性能，试验发现，可发现在不同的应力幅度下，掺入两种纤维后混合料的疲劳寿命均较普通沥青混合料有所增加，聚酯纤维的疲劳性能较木质纤维好。

关键词：沥青路面；纤维沥青；疲劳性能

中图分类号： 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2013）02-

由于纤维沥青路面结构具有路面性能优良，施工工艺较易实现等优点其在国内得到越来越多的应用和研究，但是由于国内对纤维沥青路面的应用时间较晚，其还存在很多的问题需要深入研究。其中沥青混合料的疲劳性能是后续研究的重点。

沥青路面在环境荷载和行车荷载作用下，受到轮胎的驶入驶离，其路面受力状态为长期处于应力应变交替。导致路面材料出现了疲劳变化。而当行车荷载超过一定次数，沥青混合料的材料也发生了老化变硬，在荷载作用下，路面材料内部的应力积累超过了材料本身的强度，路面编号出现裂纹，最终会产生了疲劳断裂破坏。疲劳破坏已经是当前沥青路面破坏的主要形式之一。本文对纤维沥青混合料的疲劳性能进行了分析和研究。

1.纤维沥青混合料的制备

1.1原材料

室内试验采用克拉玛依90#沥青。用于纤维沥青混合料粗细集料和矿粉质量应满足现行规范的相关规定，对粗集料的要求应具有良好的颗粒形状，质量均匀、洁净、干燥、无风化、无杂质，并且有足够的强度、耐磨耗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗冲击性、耐磨光性、抗破碎性以及与沥青的良好粘附性。

为了研究不同纤维对沥青混合料疲劳性能影响，本文分别采用了不掺纤维、0.3%的木质素纤维好0.3%的聚酯纤维。

1.2 级配设计

纤维沥青的级配选择为悬浮密实类的AC-131级配。级配设计时，为了保证级配设计良好，其矿料全部采取经水洗烘干后的单一粒径集料配制而成.纤维沥青混合料的配合比设计需要考虑到纤维的类型和掺量，在所用材料和矿料级配确定后，选择若干种纤维掺量，按马歇尔设计方法确定不同纤维掺量下的最佳沥青用量，然后在各自的最佳沥青用量下进行水稳定性、低温抗裂性能和高温稳定性试验，分别得出纤维掺量与残留稳定度、抗弯拉强度、最大弯拉应变和动稳定度的关系曲线，由此关系曲线得出纤维最佳掺量和满足规范指标要求的经济掺量也就是最小纤维掺量，最后综合高温性能、耐水性能和经济性，确定工程使用合适的纤维掺量。

2.纤维沥青混合料的疲劳试验

疲劳试验时，可采用控制应力和控制应变两种不同的加载模式。应力控制方式是指反复加载过程中所施加荷载（或应力）的峰谷值始终保持不变，随着加载次数的增加最终导致试件断裂破坏。应变控制方式是指在反复加载过程中始终保持挠度或试件底部应变峰谷值，不变。由于在这种控制下，试件通常不会出现明显的断裂破坏，一般以混合料劲度下降到初始劲度的50%或更低为疲劳破坏标准。

由于控制应力的加载模式破坏概念比较清楚，所以本文利用应力控制方式来研究沥青混合料的疲劳特性。试验采用MTS试验机进行，试验时的要求为：试件的尺寸为5×5×20cm的柱体试件，加载荷载时，采用三分点方式加载，为了更好的模拟车辆荷载对路面的影响，采用的加载的频率为10HZ。试验结果可用下式来表示： ，式中 为疲劳破坏时试件的加载次数， 为试件每次施加常量应力的最大幅值，k，n为疲劳参数。

3.试验结果分析

对比不同的纤维种类，得出纤维沥青混合料的疲劳试验试验结果如表2所示。

通过试验发现，纤维加入后混合料的疲劳寿命均有所增加。且聚酯纤维的在不同应力下的疲劳寿命较木质素纤维要长。从数值上分析，在0.3的应力水平下，聚酯纤维沥青混合料的疲劳寿命是未掺加纤维的沥青混合料的疲劳寿命的约3倍左右，是木质素纤维沥青混合料疲劳寿命的1.5倍左右，表明聚酯纤维具有最好的疲劳寿命。同时试验进一步发现，在高应力水平下，木质素纤维的疲劳寿命下降剧烈，在0.7的应力水平下，其疲劳寿命反而不如未掺加纤维的沥青混合料，表明木质素纤维对应力的敏感性较强。

从拟合方程的k和n值可以反映沥青混合料的疲劳性能，当k值表示疲劳曲线线位的高低，k值越大，疲劳曲线线位越高，疲劳耐久。而n值越大，疲劳曲线越陡，疲劳寿命对应力水平变化越敏感。通过统计分析，可发现，未掺加纤维沥青混合料的k值为4256.3、木质素纤维沥青混合料的k值为2061.8、聚酯纤维沥青混合料的2344。可发现，木质素纤维的k值最低，表明其疲劳的耐久性最低，而未掺加纤维沥青混合料的k值最好。这说明，虽然掺加纤维能在某一应力水平下提高其疲劳性能，但是在应力幅变化时，基质沥青的抗疲劳能力最好。通过对比其n值，聚酯纤维的n值最大，表明其对应力水平的变化最为敏感，表2反映了在0.3到0。7应力变化时，其疲劳寿命的变化是急剧的。因此从应力敏感的角度分析，基质沥青的疲劳性能最好，但由于路面上的应力幅度变化较小，仍可认为，掺入纤维后，沥青混合料的疲劳性能是提高的。

疲劳破坏的过程，首先是在结构的某个部位开始产生微小裂纹，裂纹的起点为疲劳源。对沥青混凝土结构来讲，荷载、温度及内部不均匀结点的存在是裂纹产生的主要因素。当混合料受荷载作用时，裂纹尖端发生应力集中，裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时，出现失稳扩展，产生较大的裂缝直至断裂破坏。

由于三维随机各向短纤维阻滞了裂纹的扩展，延长了材料失稳扩展、断裂出现的时间，因而复合成的混合料的抗疲劳性能得到明显改善。

从另一方面讲，纤维的拔出需要额外的能量，建立应力的重新分布等也需要消耗能量，这就对复合体产生了增韧效应，从而增强了混合料虔合体）的抗疲劳能力。还有，纤维加人以后混合料的最佳沥青用量增加，混合料的柔性增强，这有利于裂缝的添隙和弥合作用。

4.结论

本文对纤维沥青混合料的性能进行了分析，在其级配设计的基础上，通过不掺纤维、木质素纤维和聚酯纤维的方式来对比了不同纤维种类的沥青混合料进行了疲劳试验。疲劳试验中，应用了控制应力的三点加载方式。掺入两种纤维后混合料的疲劳寿命均较普通沥青混合料有所增加，同时试验发现，聚酯纤维的疲劳性能较木质纤维良好。

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