基于SCB试验的玄武岩纤维混合料抗裂性能

时间：2024-07-28

丁皓, 肖鹏,2*, 夏炎, 寇长江, 陆鹏程

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127；2.扬州大学城市规划与发展研究院，江苏扬州 225127；3.江苏高速公路工程养护技术有限公司，江苏南京 210046；4.江苏现代路桥有限责任公司，江苏南京 210049)

0 引言

沥青路面是我国高等级道路的主要形式，但是随着交通量的增多，柔性路面会出现裂缝、松散和车辙病害。在使用过程中病害最初都是以开裂的形式出现的，开裂后的路面会造成应力集中进而引起其他病害，因此抑制路面开裂是研究的重点[1-2]。玄武岩纤维具有较好的力学性能，并起到增韧阻裂的作用，在沥青混合料中掺入玄武岩纤维有利于提升路面的抗开裂能力[3-4]；但是，由于沥青混合料是由沥青、骨料、矿粉等材料组成，以及具备级配和最大公称粒径等技术特征，因此探究玄武岩纤维对不同类型混合料的增强效应更具有实用价值。

研究发现，相比于间接拉伸试验、小梁三点弯拉试验，半圆弯拉(semicircular bending tension, SCB)试验更适用于评价热拌沥青混合料的抗开裂性能，且SCB试件受力状态更接近于实际沥青路面结构的受力特点[5-8]。SCB试验应用于评价热拌沥青混合料开裂性能的研究已经有很多，并采用不同的评价方法对SCB试验得到的混合料断裂性能等结果进行分析[9-10]。国内外学者采用半圆弯拉试验评价沥青混合料抗裂能力大都根据J积分理论，表征其裂缝发展程度则采用临界应变能释放率Jc[11-12]。部分学者根据沥青混合料的断裂韧度和裂缝的发展情况评价材料的抗裂性能[13-14]。

因此，有必要选择更加完整合适的评价指标评价玄武岩纤维沥青混合料的抗裂缝扩展性能。采用AASHTO TP124-IL-SCB标准中的断裂能(fracture energy，Gf)、柔性指数(flexibility index, FI)等指标来评价玄武岩纤维对混合料抗裂性能的影响，以期为其在工程中的应用提供指导。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

表1为所采用木质素纤维的性能指标及试验结果，表2为玄武岩纤维性能指标及试验结果。沥青性能指标及试验结果见表3，集料为玄武岩和石灰岩，矿粉采用石灰石矿粉，其性能均满足规范要求。

表2 玄武岩纤维性能指标及试验结果

表3 沥青性能指标及试验结果

1.2 配合比设计

SMA-13和Superpave级配沥青混合料设计见表4。根据课题组前期的研究基础，玄武岩纤维的最佳掺量为0.3%，最佳长度为与最大公称粒径相关，最大公称粒径13、20、25 mm的混合料的最佳纤维长度分别为6、9、12 mm[15]，因此最终不同级配类型沥青混合料组成见表5。

表4 SMA-13和Superpave级配沥青混合料设计

表5 不同级配类型沥青混合料组成

1.3 半圆弯拉试验

采用美国AASHTO标准测试方法中半圆弯曲试验方法测试常温下沥青混合料的裂缝扩展性能，用UTM材料试验机进行加载试验，试验机量程为25 kN，精度为0.001 kN,加载速率为50 mm/min。测试过程如图1所示。试验后的开裂试件如图2所示。

图1 半圆弯拉试验

图2 开裂后的试件

1.3.1 试件成型

半圆弯拉试验可测试半径75 mm，厚度50 mm底部带预切缝的标准半圆形试件。结合国内外学者相关研究，实验室成型或现场取芯的试样都可以在切割后进行测试。采用旋转压实成型方法成型半径75 mm、高度160 mm和目标空隙率(7.0%±0.5%)的标准试件，试验温度为(25±0.5)℃，试验前需将试件在(25±0.5)℃养护2 h以上，并在取出后的5 min中内完成实验。

1.3.2 SCB试验原理与参数计算

该试验基于断裂力学理论，试验方法用于确定沥青混合料在中温下的抗裂能力，通过计算不受断裂面积大小影响的载荷-位移曲线下的面积，得到了断裂能量。试验过程主要表征沥青混合料带裂缝工作过程中的抗裂缝扩展性能，因此需要对试件进行预切，试验规范要求切口深度为(15±1)mm和宽度为(1.5±0.1)mm(如图4所示)。试验过程中典型的荷载与位移曲线如图3所示。

图3 韧性区长度和预切缝长度示意图

图4 典型SCB试验荷载-位移曲线

SCB试验抗裂参数计算如公式(1)—(3)所示，断裂功(work of fracture,Wf)的物理意义为试件开裂全过程中做的总功，由计算试验荷载-位移曲线下包围面积得到。Gf为量化表征沥青混合料抗开裂损伤的整体能力，随试件缺口长度与半径比变化，一般来说，混合料的断裂能越高就可以抵抗更大的应力即抗开裂损伤能力越强。m为荷载位移曲线峰后段拐点线率，根据中温条件下得到的断裂参数计算FI，其计算过程需考虑断裂能量和荷载-位移曲线峰值后的斜率，得到的FI能够综合地反映裂缝扩展速率和混合料抵抗裂缝扩展的能力,该值越大表明混合料性能越好。

(1)

Arealig=L×t，

(2)

(3)

式中：Gf为断裂能，J·m-2；Wf为断裂功，J；Arealig为韧性区面积，mm2；L为韧性区长度，mm，如图4所示；t为试件厚度，mm；|m|为峰后斜率绝对值，kN·mm-1；A为单位转换值，0.01。

2 试验结果与分析

对10种沥青混合料进行半圆弯拉试验，每组试验取4个平行试件，半圆弯拉试验结果见表6。

表6 半圆弯拉试验结果

2.1 玄武岩纤维对不同沥青种类混合料抗裂性能影响

对比分析表4中编号6和8中的数据，混合料类型为Superpave-20，沥青种类分别为SBS改性沥青和基质沥青，探究在不同沥青种类的混合料在加入玄武岩纤维后的抗裂性能的变化规律，不同沥青种类混合料SCB实验结果如图5所示。

(a)断裂能

① 对比图5中Superpave-20基质沥青混合料的试验结果，掺入玄武岩纤维的Superpave-20基质混合料对比未掺入玄武岩纤维的Gf增量为1 120.6 J/m2，增幅为25.4%；柔性指数的增长量为13.49，增幅为42.1%。

② 对比图5中Superpave-20 SBS改性沥青混合料的试验结果，掺入玄武岩纤维的Superpave-20 SBS改性混合料对比未掺入玄武岩纤维的Gf增长量为2 198.5 J/m2，增幅为30.8%；FI增量为41.36，增幅为95.6%。

③ 玄武岩纤维在不同沥青种类混合料中增强效应不同：对于Gf的影响，从绝对值上看，玄武岩纤维对SBS改性沥青混合料的增强效应为基质沥青混合料的1.9倍；但是，由于SBS的基础值较高，因此增幅相比优势不大。对于FI的影响，从绝对值上分析玄武岩纤维对SBS改性沥青混合料的增强效应为基质沥青混合料的3.1倍，相对值为2.3倍，因此，相比于基质沥青混合料，SBS改性沥青混合料的抗裂性能得到更大幅的提高。

2.2 玄武岩纤维对不同最大公称粒径沥青混合料抗裂性能影响

对比分析表4中编号3、4、7、8中的数据，混合料类型分别为Superpave-13和Superpave-20，探究不同最大公称粒径混合料在加入玄武岩纤维后抗裂性能的变化规律，不同最大公称粒径混合料SCB试验结果如图6所示。

(a)断裂能

① 对比图6中，Superpave-13 SBS改性沥青混合料的试验结果，掺入玄武岩纤维的Superpave-13 SBS改性混合料的Gf对比未掺入玄武岩纤维的增量为2 067 J/m2，增幅为42.0%；FI的增量为39.8，增幅为92.7%。

② 对比图6中，Superpave-20 SBS改性沥青混合料的试验结果，掺入玄武岩纤维的Superpave-20 SBS改性混合料的Gf对比未掺入玄武岩纤维的增量为1 695.5 J/m2，增幅为30.8%；FI的增量为43.36，增幅为95.6%

③ 玄武岩纤维在不同最大公称粒径沥青混合料中增强效应不同：对于Gf的影响，从绝对值上看，玄武岩纤维对细粒径沥青混合料的增强效应是粗粒径沥青混合料的1.2倍，相对值为1.3倍；对于FI的影响，从绝对值上看，玄武岩纤维对细粒径沥青混合料的增强效应为粗粒径沥青混合料的0.92倍，相对值为0.96倍，因此，玄武岩纤维对细集料的抗开裂损伤的整体能力增强效应更高，而对粗集料的抗裂缝开展能力增强效应更高。

2.3 玄武岩纤维在不同级配沥青混合料的抗裂性能影响

对比分析表4中编号1、2、3、4中的数据，混合料类型分别为间断级配的SMA-13和连续级配的Superpave-13，沥青种类为SBS改性沥青，玄武岩纤维掺量为0.3%，探究不同级配类型加入玄武岩纤维后抗裂性能的变化规律,不同级配沥青混合料SCB试验结果如图7所示。

(a)断裂能

① 通过对掺入玄武岩纤维和未掺入玄武岩纤维的SMA-13改性沥青混合料的对比，可以明显看出，掺入玄武岩纤维的SMA-13 SBS改性混合料的Gf增量为1 048.04 J/m2，增幅为16.1%；FI的增量为36.92，增幅为66.3%。

② 对比图7中Superpave-13 SBS改性沥青混合料的试验结果，掺入玄武岩纤维的Superpave-13 SBS改性混合料的Gf对比未掺入玄武岩纤维的增量为2 067 J/m2，增幅为42.0%；FI的增量为39.8，增幅为92.7%。

③ 对于不同级配类型沥青混合料，玄武岩纤维对其增强效应不同：对于Gf的影响，从绝对值上看，玄武岩纤维对连续级配的混合料的增强效应为间断型级配的1.97倍，相对值为2.6倍；对于FI的影响，从玄武岩纤维对连续级配的混合料的增强效应为间断型级配的1.1倍，相对值为1.3倍，因此，玄武岩纤维对连续级配的沥青混合料的抗开裂损伤的整体能力和抗裂缝扩展性能增强效应优于间断型级配的沥青混合料的。