纤维增强沥青混合料低温性能及增强机理试验

摘 要：针对掺加不同材质、不同长度纤维材料增强的沥青混合料应用MTS 810材料试验机进行未切缝及预切缝三点低温弯曲试验，通过临界应变能密度及应力强度因子方法评价低温性能探讨了纤维增强机理。结果表明：掺加纤维能有效阻滞裂纹的进一步发展，提高沥青混合料的低温抗裂能力，且随纤维力学强度的增大及长度的适当增长，纤维的增强效果进一步改善。

关键词：沥青混合料；纤维；临界应变能密度；应力强度因子

中图分类号：U414 文献标志码：B

Experimental Study on Low Temperature Properties and Enhancement Mechanism of Fiber Reinforced Asphalt Mixture

XUN Jiazheng1， FENG Jiliang2

（1. Yunnan Sunny Road & Bridge Co. Ltd.， Kunming 650200， Yunnan， China； 2. School of Architectural

Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650214， Yunnan， China）

Abstract： Fibers with various lengths and strength were added to asphalt mixture to assess their effect on crack resistance， and threepoint bending tests were performed on unnotched and notched specimens with MTS 810 to study the crack propagation resistance with critical strain energy density and stress intensity factor at low temperature. The results show that while adding fiber to asphalt mixture can effectively improve its performance at low temperature and enhance the crack resistance， the enhancement could be even better following the increasing of mechanical strength of the fiber and its length.

Key words： asphalt mixture； fiber； critical strain energy density； stress intensity factor

0 引 言

寒冷季节温度周期性变化产生的温度应力及行车荷载作用产生的累积应力会使材料损伤导致路面产生开裂。在沥青混合料中掺入纤维是一种提高混合料抗裂性能的手段，国内外对此开展了大量研究，并取得较大进展[1]；但关于纤维长度及纤维力学性能对纤维沥青混合料（FRAM）阻裂作用的研究很少。本文采用临界应变能密度及应力强度因子判断纤维沥青混合料的抗裂性能，研究纤维长度及纤维力学性能对混合料抗开裂及阻滞裂纹扩展能力的影响，为热拌沥青混合料用纤维的选择提供借鉴。

1 原材料

试验采用SBS改性沥青，其性能指标见表1。碎石采用花岗岩，矿粉为石灰石，混合料级配为AC16C型。纤维采用厦门鑫富荣纤维有限公司生产的聚脂纤维及北京特希达科技有限公司提供的FORTA AR纤维，聚脂纤维的长度分别为3、6、15 mm，掺量均为2.5‰，FORTA AR纤维的掺量为045‰，长度为19 mm，纤维的基本性能如表2所示。

2 未切缝试件低温试验结果及分析

2.1 低温三点弯曲试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》

2.2 低温弯曲试验结果

不同纤维长度的纤维沥青混合料在-10 ℃下的三点弯曲试验结果如图1所示。

2.3 利用弯曲应变能密度评价混合料的低温性能

中国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40―2004）以沥青混合料的破坏应变作为低温性能控制指标。然而，沥青混合料的强度和变形是路面结构的重要技术参数，在衡量沥青混合料性质时仅考虑材料的强度参数或变形特性，对于评价沥青混合料路用性能是不利的[4]。因此，有必要寻找一种反映强度和变形的综合技术参数。

依据材料的损伤准则，材料的损伤过程包括裂缝的产生、亚临界状态增大及最后终止3个阶段。假定材料的破坏形式与单位体积内的能量变化相对应，则材料的损伤可以用应变能密度函数dWdV表示，即

dWdV=∫ε00σijdεij（1）

式中：W为外力所作的功；V为体积；σij、εij分别为应力、应变分量；ε0为最大弯拉应力对应的应变值（以下简称临界应变）。

dWdV的临界值是断裂时实际单轴应力应变关系曲线下的面积。材料在单向拉伸时可按式（1）计算临界应变能密度，它反映了材料发生破坏所需的能量，其值越大，低温性能越好。

根据实测应力应变曲线关系，发现沥青混合料的应力应变关系可以用多项式拟合，即

σ=Akεk+Ak-1εk-1+…+A1ε+A0（2）

式中：σ为应力；ε为应变；Ak、Ak-1、…、A0为常数，与材料类型有关；k为拟合多项式的最高次项。本文采用三次多项式拟合，相关系数大于0.995，纤维沥青混合料的临界应变能计算结果如图2所示。

2.4 结果分析

从图1可知，纤维长度为6 mm的纤维沥青混合料破坏应变最大，纤维长度为15 mm的纤维沥青混合料次之，而掺加纤维长度为3 mm及19 mm的纤维沥青混合料的弯拉破坏应变则均小于不掺纤维的沥青混合料。若单纯以弯拉应变作为控制指标，得出掺加19 mm长的FORTA AR纤维及掺加3 mm长的聚脂纤维使混合料低温性能变差。但从试验结果可以看出，掺入纤维后沥青混合料的弯拉破坏强度均有不同幅度的提高，其中掺加19 mm长FORTA AR纤维的混合料强度提高的幅度最大，达292%，掺加3 mm长的聚脂纤维混合料强度提高121%。强度和变形是材料的2个重要技术参数，在衡量沥青混合料的性质时仅考虑强度或变形，对混合料的路用性能评价是不利的，存在一定的局限性。

沥青混合料强度随纤维长度的增长而增大，表明纤维长度适当增长，沥青混合料通过界面作用传递给纤维的作用力增大，有利于发挥纤维材料的特点，从而提高沥青混合料的强度。掺量仅为0.45‰FORTA AR纤维的沥青混合料强度增加效果最大，达292%，说明纤维本身的力学特性对沥青混合料的影响很大。但由于FORTA AR纤维是由纺纶纤维与聚丙烯纤维按1∶3的比例组成，单丝纤维的数量较少，纤维间距较大，当加载速率较高时，对裂纹的阻滞作用较小，破坏弯曲应变反而变小，表现出脆性较大。

从图2可知，掺加纤维的沥青混合料临界应变能均大于未掺纤维的沥青混合料，其中掺加2.5‰的6 mm长聚脂纤维的沥青混合料低温性能改善幅度最大，达到50%，掺0.45‰的19 mmFORTA AR纤维的沥青混合料临界应变能也增加了16%。表明掺加增强纤维可有效提高沥青混合料的低温抗裂性能。各类纤维沥青混合料低温抗裂性能优劣顺序为：2.5‰6 mm聚脂纤维、2.5‰15 mm聚脂纤维、25‰3 mm聚脂纤维、0.45‰19 mmFORTA AR纤维、未掺纤维。

3 预切缝试件三点弯曲试验结果分析

3.1 试件准备

预切缝小梁试件的尺寸与未切缝小梁试件一致，考虑到临界应力强度因子是材料的性能指标，与裂缝深度没有关系。本文选取的切缝深度为1 mm，切缝角约为20°，每组制备4个试件，用MTS 810材料试验机进行小梁三点弯曲试验，试验温度仍为-10 ℃，加载速率为50 mm・min-1。

3.2 断裂韧性

纤维沥青混合料的临界断裂强度因子可由试验确定。对有预切缝的小梁弯曲试验，应力强度的计算因子KIC可用L Monismith给出的公式计算[5]

3.3 结果分析

从表3的计算结果可以看出：掺加FORTA AR纤维的混合料临界应力强度因子最大，较基质沥青混合料增大14.97%；掺加聚脂纤维的沥青混合料临界应力强度因子也有增大，其中3、6、15 mm长的聚脂纤维混合料临界应力强度因子增大的幅度分别为3.78%、6.24%及4.47%。纤维沥青混合料应力强度因子随纤维长度的增长有增大的趋势，表明随纤维长度的增加，基质沥青混合料传递给纤维的作用力增大，增强作用更明显。其中15 mm长聚脂纤维的增强效果比6 mm长聚脂纤维差，主要原因是纤维的分散性较差，纤维在15 mm长时，由于截面较小，在拌和过程中产生的静电作用易使纤维缠绕在搅拌叶片上（图3），分散性较差，从而影响了聚脂纤维对混合料性能的改善效果。从试验结果看，若未能采取有效措施解决较长纤维的分散性问题，选择6 mm长的纤维是合适的。

4 低温性能改善机理

沥青混合料出现韧性破坏的趋势，主要表现在断裂后裂纹迅速扩展贯穿整个试件，而纤维沥青混合料则出现裂而不断的现象。主要原因在于，当沥青混合料基体发生开裂后，纤维的桥接作用仍可使混合料维持一定的承载能力。

4.1 纤维的阻裂机理

由于沥青混合料内部存在缺陷或裂纹，在温度应力及行车荷载作用下，裂缝尖端会产生应力集中，促使裂纹进一步扩展。当在沥青混合料中掺入高抗拉强度、高模量的增强纤维后，因纤维的直径很小、长度较短，数量众多的纤维均匀分散后可形成三维网状结构，对裂纹的扩展起到阻滞作用，约束裂纹或材料缺陷的进一步扩展，从而改善材料的低温抗裂性能。纤维阻裂机理可基于线弹性断裂力学原理的应力强度因子叠加法（简称K叠加法）分析[68]。按照K叠加法，纤维沥青混合料中裂纹的应力强度因子可表示为

可见，在裂纹尖端穿过纤维的瞬间，纤维对裂纹的阻滞作用是巨大的。用叠加原理可得尖端穿过一系列纤维时产生的应力强度因子。这是纤维沥青混合料在低温三点弯曲试验后可保持裂而不断，而不加纤维的沥青混合料则表现出明显的脆性破坏的主要原因之一。

4.2 纤维的加筋机理

按照复合材料理论，纤维沥青混合料的劲度模量Ec和抗拉强度σc为

由于纤维的强度和模量较沥青混合料的强度和劲度模量高得多，所以纤维沥青混合料的强度增加，纤维犹如给沥青混合料“微加筋”，对沥青混合料起增强作用。低温弯曲试验结果也表明了沥青混合料掺入纤维后，强度和模量得到提高。但复合材料理论仅是一种理想状态，纤维的增强作用不仅与纤维材料的性质有关，还与纤维在混合料中的分散情况、纤维与沥青混合料的界面粘结、纤维的有效长度等密切相关；而纤维与沥青混合料基体的界面粘结还与纤维的几何特征、纤维与沥青混合料的相容性有关。

4.3 纤维的增韧机理

众所周知，沥青混合料是一种粘弹性材料，高温下变软，低温下变脆，在温度应力及行车荷载的作用下会因抗变形能力不足而发生开裂。在沥青混合料中掺入高抗拉强度及高模量的纤维，不仅可提高沥青混合料基材的强度，还可增加混合料的变形能力，使材料具有很高的韧性。对纤维沥青混合料而言，即使已出现裂纹，纤维的桥接作用仍可使材料继续承受外载作用。韧性实际上表示材料在外载作用下吸收能量的能力，其含义是材料不仅应具有足够的强度，还须具有良好的变形（包括弹性变形或粘性变形）能力，可用应力应变关系定量描述，通过常用材料的应力应变曲线所包围的面积Ω表示，与应变能密度dWdV的计算方法相同[9]。

韧性的大小不仅取决于材料的强度，也取决于材料破坏时的变形性能。材料的强度高，若变形能力差，或变形能力好但强度低，其韧性都不会大，抗裂性能自然也不会好。选择合适的纤维材料及掺量，可使混合料的强度增强，还会因发生多缝开裂模式，使变形能力提高，从而改善混合料的低温性能。纤维沥青混合料低温性能应变能密度评价也证实了这一点。

4.4 纤维对沥青混合料自愈能力的增强机理

由于沥青混合料是粘弹性材料，路面具有应力松弛的能力，所产生的温度应力会随时间的延长逐渐松弛减小，乃至消失；因而不需像水泥混凝土路面一样设置收缩缝[10]。沥青混合料的这种自愈能力对路面的抗开裂能力及抗疲劳能力具有重要的影响。自愈过程的重要性已由Kim等应用应力波技术测量沥青混凝土层歇息24 h前后的弹性模量验证。弹性模量随温度的增加而减小，24 h间隔后的模量显示出明显的恢复，如图4所示。

纤维沥青混合料在受到拉伸的过程中，纤维可阻止裂纹的进一步扩展，对裂纹扩展起到阻滞作用，外界作用力存在时，纤维受到拉伸变形，外界作用消失后，将发生弹性回复，促使沥青混合料恢复原来的形态，增强材料自愈能力，减小外力作用引起的损伤，从而改善材料的抗裂能力，提高低温性能。

5 结 语

（1）掺加纤维可提高沥青混合料的强度，强度提高的幅度与纤维的长度及纤维材料本身的力学特性相关。纤维的强度和模量愈高，增强效果愈好；适当增加纤维的长度有利于提高纤维的增强效果。

（2）掺6 mm长及15 mm长聚脂纤维的沥青混合料的强度及破坏应变均增加，而掺045‰3 mm长的纤维使混合料弯拉破坏强度提高，但破坏应变较不掺纤维的沥青混合料小。

（3）强度和变形是材料的2个重要参数，只以变形作为评价指标不全面，而临界应变能密度是一种反映了材料的强度和变形的综合性参数，可用于评价沥青混合料的低温性能。

（4）按临界应变能密度评价纤维沥青混合料低温抗裂性能按优劣排序依次为：掺2.5‰6 mm聚脂纤维、掺25‰15 mm聚脂纤维、掺2.5‰3mm聚脂纤维、掺0.45‰19mmFORTA AR纤维、未掺纤维沥青混合料。

（5）在沥青混合料中掺入纤维后，纤维的桥接作用可有效改善混合料对裂纹扩展的阻滞作用，提高低温抗裂性能。

（6）纤维阻裂作用的大小与纤维材料的力学强度及埋深有关，纤维的强度愈大，长度愈长，通过混合料基体传递给纤维的界面作用力愈大，阻裂性能越好。但纤维长度的选择应保证纤维能在混合料中有效分散，否则会引起纤维成束，降低材料的利用率。

（7）试验结果表明，选择纤维长度为6 mm是合适的，在解决好纤维分散性的情况下，适当增长纤维的长度有利于充分发挥纤维的优良特性，提高混合料性能。

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