柔性基層瀝青混合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

閆偉

天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司 天津 300300

摘要：通過將纖維材料添加到瀝青混合料中形成一種纖維柔性路基新型材料，與普通材料相比，具有較強(qiáng)的劈裂強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，劈裂強(qiáng)度隨著添加纖維的長(zhǎng)細(xì)比增大而減小，合理的纖維摻量在1‰到2‰之間，聚丙烯纖維材料提高材料劈裂強(qiáng)度效果顯著?？傊w維級(jí)配碎石材料增加路面整體抵抗層底拉應(yīng)力的能力，提高道路承載力抗車轍性能從而延長(zhǎng)道路使用壽命。

關(guān)鍵詞：纖維；級(jí)配碎石；劈裂強(qiáng)度

1.前言

我國(guó)公路建設(shè)正處在一個(gè)大規(guī)模建設(shè)高等級(jí)公路的發(fā)展時(shí)期，大交通量和重載車輛的日益增多，必然對(duì)公路路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性提出更高的要求。幾十年來公路建設(shè)一直采用的半剛性瀝青路面基層存在收縮開裂、滲水性差、對(duì)重載車具有更大的軸載敏感性等缺點(diǎn)，這已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外研究人員的高度重視。

瀝青混合材料就是將纖維隨機(jī)地分布于混合料中所組成的一種纖維型與顆粒型的復(fù)合材料，它是一種非常有潛力的·路面材料。通過理論分析和試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)纖維級(jí)配碎石的主要力學(xué)性能進(jìn)行了研究，表明纖維級(jí)配碎石柔性路面材料，同傳統(tǒng)半剛性基層相比，增加路面整體抵抗層底拉應(yīng)力的能力，可以較有效的防止反射裂縫的產(chǎn)生，提高道路承載力抗車轍性能從而延長(zhǎng)道路使用壽命。

2.瀝青混合材料力學(xué)性能分析

通過添加抗拉強(qiáng)度和彈性模量較高的纖維材料，纖維復(fù)合后的材料抗拉強(qiáng)度和承受動(dòng)荷載的能力都會(huì)得到不同程度的提高。影響纖維增強(qiáng)混合料性能的主要因素有：纖維的摻量、種類、長(zhǎng)徑比以及纖維在混凝土中是否均勻分布等。

2.1劈裂強(qiáng)度分析

良好的基層材料必須具備一定的抗拉強(qiáng)度，而劈裂強(qiáng)度就是衡量抗拉強(qiáng)度的指標(biāo)。試件采用振動(dòng)成型法成型成高和直徑均為150mm的圓柱形試件，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）中的T0806—1994進(jìn)行。將試件放到路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀的升降臺(tái)上，使試件的形變以約1mm/min的等速率增加進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。試件的劈裂強(qiáng)度按下式計(jì)算：

（式1）

式中：——試件破壞時(shí)的最大壓力（kN）；

——試件高度（mm）。

2.1.1 纖維長(zhǎng)細(xì)比及摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

摻加纖維的拌和工藝流程為，混合料按照常規(guī)方法制備，在添加水之前，先將按比例摻配好的粗細(xì)集料混勻，然后加入定量的纖維干拌，直至纖維均勻分布再加水進(jìn)行濕拌。成型好的圓柱試件，不需要像水泥穩(wěn)定碎石那樣進(jìn)行養(yǎng)生，立即放在路面材料強(qiáng)度儀上進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。根據(jù)劈裂強(qiáng)度的大小優(yōu)化纖維的尺寸和長(zhǎng)度以及摻量。

選擇的纖維種類為塑料繩纖維，直徑固定，長(zhǎng)度分別取1cm、3cm、5cm、7cm，纖維的摻量（質(zhì)量比）定為0‰、1‰、2‰、3‰、4‰，共計(jì)五種摻量。首先測(cè)定不加纖維的普通級(jí)配碎石的劈裂強(qiáng)度，以空白試件作為基準(zhǔn)，然后再進(jìn)行同一種級(jí)配，同一含水量下?lián)郊硬煌w維的級(jí)配碎石劈裂強(qiáng)度的平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1纖維級(jí)配碎石不同長(zhǎng)細(xì)比及摻量劈裂強(qiáng)度對(duì)比圖

通過圖1的比較，可以看出對(duì)于摻加纖維的級(jí)配碎石，纖維尺寸不變時(shí)，隨著纖維摻量的增加，劈裂強(qiáng)度隨之先增大后減小。添加纖維能夠提高級(jí)配碎石整體的抗變形能力，尤其是受拉破壞的抵抗能力可以明顯提高，摻量在千分之一到千分之二之間范圍內(nèi)較為合理。

將圖1中相同的摻量下，不同纖維尺寸級(jí)配碎石的劈裂強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，可以看出尺寸越小，劈裂強(qiáng)度越大，纖維尺寸越小，其在混合材料中分布越趨于均勻，和易性越好，能較好的發(fā)揮其抗拉能力，從而提高材料的整體抗變形能力。

2.1.2不同種類纖維的對(duì)比

目前通常國(guó)內(nèi)外通常采用的纖維材質(zhì)主要有聚丙烯纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維，在纖維摻量在1‰條件下進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果在表2中。

表1 摻加纖維后的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

編號(hào) 不加纖維 纖維1號(hào) 纖維2號(hào) 纖維3號(hào) 纖維4號(hào) 纖維5號(hào)

纖維類型 - 聚丙烯纖維 聚酯纖維 聚丙烯纖維 常見普通纖維 木質(zhì)素纖維

劈裂強(qiáng)度平均值（kPa） 14.2 18.4 17.2 21.3 16.5 14.8

通過多次反復(fù)試驗(yàn)求得的劈裂強(qiáng)度平均值，從表1中可以看出，相同級(jí)配相同混合料相同成型方式，同一時(shí)間條件下，無論是哪種纖維，摻加1‰的纖維的級(jí)配碎石混合料的劈裂強(qiáng)度均大于不摻加纖維的劈裂強(qiáng)度。相同摻量下，對(duì)于改善級(jí)配碎石力學(xué)性能來說，摻加聚丙烯纖維材料劈裂強(qiáng)度能提高50%。當(dāng)微裂縫向細(xì)裂縫發(fā)展的過程中，必然碰到多條不同向的微纖維，由于纖維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于級(jí)配碎石基體的強(qiáng)度，以及纖維與級(jí)配碎石較好的粘結(jié)力，所以在裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展過程中，由于纖維與級(jí)配碎石的相對(duì)位移消耗了能量，降低了應(yīng)力水平，使得裂縫擴(kuò)展收到了限制，進(jìn)而使得纖維級(jí)配碎石的抗拉強(qiáng)度有明顯的提高。

3.結(jié)論

（1）纖維級(jí)配碎石作為一種新型路基材料，與半剛性基層相比有明顯的優(yōu)點(diǎn)。通過理論分析和試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)纖維級(jí)配碎石的主要力學(xué)性能進(jìn)行了研究，表明纖維級(jí)配碎石柔性路面材料，具有較強(qiáng)的劈裂強(qiáng)度和抗剪切性能，同傳統(tǒng)半剛性基層相比，增加路面整體抵抗層底拉應(yīng)力的能力，可以較有效的防止反射裂縫的產(chǎn)生，提高道路承載力抗車轍性能從而延長(zhǎng)道路使用壽命。

（2）對(duì)于摻加纖維的級(jí)配碎石，纖維尺寸、摻量和種類都對(duì)其劈裂強(qiáng)度有一定影響。纖維尺寸不變時(shí)，隨著纖維摻量的增加，劈裂強(qiáng)度隨之先增大后減小，纖維的摻量在千分之一到千分之二之間范圍內(nèi)較為合理；相同的摻量下，纖維尺寸尺寸越小，劈裂強(qiáng)度越大，也就是說較小尺寸的纖維對(duì)于改善級(jí)配碎石抗拉性能效果最為顯著。

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