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1、纤维沥青混凝土动力学性能试验研究 摘要:采纳变截面分别式Hopkinson压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB),对一般沥青混凝土、玻璃纤维沥青混凝土、木质素纤维沥青混凝土和3个掺量的聚酯纤维沥青混凝土进行了3种应变率的冲击压缩试验探讨。试验结果与分析表明,沥青混凝土具有应变率增加效应,其动力抗压强度及韧性指标随着应变率的增大而增大;但是,纤维沥青混凝土动力抗压强度及韧性指标增长率随应变率提高有递减趋势;纤维含量对沥青混凝土在动力条件下的动力行为有显著影响,聚酯纤维掺量为0.25%的沥青混凝土动力抗压强度及韧性指标最优;3种纤维都可以增加材料的动力抗压强度
2、及韧性指标,聚酯纤维增加沥青混凝土抗压强度最佳,木质素纤维次之,玻璃纤维最差;聚酯纤维提高沥青混凝土韧性指标最佳,玻璃纤维次之,木质素纤维最差。 关键词:沥青混凝土;纤维加筋;SHPB试验;动力抗压强度;韧性指标 Experimental Study on Dynamic Properties of Fiber Reinforced Asphalt Concrete ZENG Meng-lan, PENG Shan, HUANG Hai-long (College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan410182, China) A
3、bstract: Compressive impact tests were conducted on asphalt concrete, glass fiber reinforced asphalt concrete, lignin fiber reinforced asphalt concrete, and polyester fiber reinforced asphalt concrete of three contents with three strain rates using the split Hopkinson pressure bar with varying cross
4、-section. Test results and analyses indicate that there is a strain rate enhancing effect on asphalt concrete. Both the dynamic compressive strength and toughness index increase with increasing strain rate. However, the increase rates of the strength and toughness index decrease with increasing stra
5、in rate for fiber reinforced asphalt concrete. Fiber content has a significant influence on the dynamic behavior of asphalt concrete. At a polyester content of 0.25%, the compressive strength and toughness index reach maximum values. All the fibers can improve the dynamic properties of asphalt concr
6、ete. For improving compressive strength, polyester fiber is the best, lignin fiber the second, and glass fiber the least; while for improving toughness index, polyester fiber is the best, glass fiber the second, and lignin fiber the least. Key words: asphalt concrete; fiber reinforcement; SHPB test;
7、 dynamic compressive strength; toughness index 引言 大量关于纤维沥青混凝土性能的探讨成果表明,掺入纤维后可改善沥青混凝土的 运用性能,且由于纤维沥青混凝土的施工工艺较简洁,不需增加额外的设备,具有广泛的应用前景。迄今为止,前人对纤维沥青混凝土力学性能的探讨大都基于静态、准静态条件下,其动力力学性能的探讨相对较少, 而作为路面材料被广泛运用的沥青混凝土在工作过程中除承受改变缓慢的准静态荷载外,同时还承受车载进行过程中的猛烈冲击作用,材料在高应变率下的特性受波传播效应、惯性效应等的影响,与静态、准静态试验供应的力学参数有很大不同,因此探讨和测定纤维沥
8、青混凝土动力学性能特别必要。本文以分别式霍普金斯压杆SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)试验技术对其进行探讨,其结果对纤维沥青混凝土在地震、爆炸等条件下动力响应等问题的探讨也具有肯定的意义。 1 SHPB试验装置及试验过程 SHPB也称为Kolsky杆,试验装置包括轻气枪、输入杆、输出杆、撞击杆,试件放置于输入杆与输出杆之间。通过高压气体推动撞击杆以肯定的速度撞击入射杆,在入射杆中产生入射波,波传到入射杆与试件的界面时,一部分反射,形成反射波,一部分透射传入透射杆,形成透射波。入射杆中间的应变片记录下入射波与反射波应变随时间改变的过程,而贴于透射杆中间的应变片记
9、录下透射波应变随时间改变的过程,通过分析计算,可得到试件材料的应力-应变关系曲线。 试验采纳 变截面SHPB装置,其布置简图如图1所示。 图1 SHPB试验装置示意 Fig. 1 Schematic illustration of SHPB test equipment 2 试验概况 2.1试验原材料 本试验采纳泰州产中海73号A级道路石油沥青,集料为石灰岩,取自湖南常德华天碎石厂,矿粉为石灰岩质,产自湖南湘乡。聚酯纤维:直径 m,长度6mm,抗拉强度 500Mpa;玻璃纤维:无碱玻璃纤维,长度12mm、直径为913m;木质素纤维:长度6mm。 2.2 SHPB试件成型及试验支配 矿料级配采纳
10、AC-131级配中值,最大粒径为16mm。试件成型采纳静压法2,在马歇尔试验确定的最佳沥青用量下静压成型,尺寸采纳 。试验试件分6组,分组支配见表1。 每组试件分别进行应变率约为50(1/s)、110(1/s)和173(1/s)的SHPB压缩试验。试验温度限制在20,由特地设计的协作SHPB系统的凹凸温试验装置限制。为使试件受力匀称,避开接触不平,在试件与入射杆之间加设了万向头。为使应力脉冲在试件破坏前有足够的时间来回反射以获得时间内应力匀称,还在入射杆的打击端加设波形整形器,以消退高频震荡,改善加载波质量3。 3 SHPB试验结果 为保证试验结果的牢靠性,本试验对每组试件每个应变率下进行4-
11、5次平行试验,对其得到的应力应变曲线进行平均处理,试验表明,平行试验得到的应力-应变曲线重合性较好。冲击试验结果见表2,图2图7分别给出了6组试件处理后的应力-应变曲线。 4 SHPB试验结果分析 从表2数据中可以看出,每组试件都存在比较明显的应变率效应,即随着应变率的提高,沥青混凝土的动力抗压强度提高。应变率硬化缘由可以从以下两方面进行说明:(1)在沥青混凝土内部、骨料四周及整个沥青胶浆中布满了大小不同的微裂纹和微孔洞等损伤。混凝土材料的破坏是由于裂纹的产生和扩展导致的,裂纹产生所需的能量远比裂纹扩展所需的能量高4。应变率越大,产生的裂纹数目就越多,因而须要的能量就越多;又因为冲击荷载作用的
12、时间极短,材料没有足够的时间用于能量的累积,即变形缓冲作用小,依据冲量定理或功能原理,它只有通过增加应力的方法来抵消外部冲量或能量,因此,材料的强度随应变率的增加而增加。 (2)类似于Bracc W F5 和Janach W6 等学者对岩石应变率硬化的分析,沥青混凝土的应变率硬化效应可以看作材料由一维应力状态向一维应变状态转换过程中的力学响应,其理由是:混凝土试件比较大,在SHPB试验中,试件内部的受力状态已经不能精确地说是一维应力,特殊是在试件的中心部位,在冲击荷载作用下,由于材料的惯性作用,试件侧向的应变受到限制,并且应变率越高,这个限制作用就越大,材料近似处于围压状态,从而其强度随应变率
13、的增加而增加。 4.1 动力抗压强度 4.1.1 不同纤维掺量时动力抗压强度对比 对A、B、C、D四组试件进行对比。在沥青混凝土中掺入聚酯纤维后,沥青混凝土动力抗压强度有所改善,从表2中数据可知,当聚酯纤维掺量为0.1%时,在应变率分别约为50(1/s)、110(1/s)、173(1/s)的状况下,抗压强度增长率(纤维沥青混凝土与一般沥青混凝土动力抗压强度的差值占一般沥青混凝土动力抗压强度的一百零一分比)分别为3.7%、3.4%、2.7%;当聚酯纤维掺量为0.25%时,在应变率分别约为50(1/s)、110(1/s)、173(1/s)的状况下,抗压强度增长率分别为14.5%、13.1%、5.1
14、%;当聚酯纤维掺量为0.4%时,在应变率分别约为50(1/s)、110(1/s)、173(1/s)的状况下,抗压强度增长率分别为6.2%、3.4%、-4.3%。从以上的现象可以看出,当在一般沥青混凝土中掺入聚酯纤维时,随着聚酯纤维掺量的适当增加,沥青混合料的动力抗压强度会有所提高,当聚酯纤维掺量增加到0.25%时,抗压强度达到最大值;当聚酯纤维掺量进一步增加时,由于纤维的分散性变差,它不仅会大量的吸附混合料中沥青,在矿质骨料之间还会出现结团和夹层的现象,使沥青混合料的粘聚力急剧下降,纤维的工作性能大大降低。因此,当沥青混合料掺入过量纤维时,其动力抗压强度会降低。 图8 不同聚酯纤维掺量时试件抗
15、压强度增长率 Fig 8 Compressive strength increase ratios at different polyester fiber contents 由图8,在不同聚酯纤维掺量时,试件的抗压强度增长率随应变率的提高有递减的趋势,在聚酯纤维掺量为0.4%、应变率约为173(1/s)时甚至出现负增长。造成这种现象的主要缘由是:随着应变率的增大,纤维的增加作用减弱,纤维与基体的接触面在高应变率下甚至成为影响混凝土抗压强度进一步提高的弱界面,在高应变率下纤维根原来不及发挥其增加效应,而混凝土材料的应变率增加效应又使纤维沥青混凝土的抗压强度仍旧有所增长。也就是说,在低应变率时,
16、试件的动力抗压强度的增长由应变率增加效应和纤维阻裂增加共同引起,而随着应变率的增大,纤维阻裂增加减弱甚至消逝,造成高应变率时抗压强度的增长不如低应变率时抗压强度的增长。 4.1.2 不同纤维种类时动力抗压强度对比 对A、C、E、F四组试件进行对比。在沥青混凝土中分别掺入玻璃纤维和木纤维后,动力抗压强度有所改善,但不如聚酯纤维效果显著。由表3,玻璃纤维掺量0.25%时,在应变率分别约为50(1/s)、110(1/s)、173(1/s)的状况下,抗压强度增长率分别为6.7%、4.7%、-6.4%;当木纤维掺量为0.25%时,在应变率分别约为50(1/s)、110(1/s)、173(1/s)的状况下
17、,抗压强度增长率分别为7.9%、6.0%、-4.8%。这一现象与掺聚酯纤维时相像,即试件的抗压强度增长率随应变率的提高有递减的趋势,甚至出现负增长。 由表2,玻璃纤维沥青混凝土动力抗压强度在相同加载条件下略微低于木纤维沥青混凝土动力抗压强度,这一结果与静态下探讨成果不同静态下玻璃纤维沥青混凝土抗压强度高于木纤维沥青混凝土。这主要是因为:在静态荷载作用时,木纤维主要是稳定增加,其强度增长较小,而玻璃纤维因其长径比较大而能发挥较好的桥接增加作用,其强度有较大的增长;在动荷载作用时,荷载作用时间短,纤维桥接增加作用较小,玻璃纤维主要起增韧作用,应力应变曲线顶端有较长平台段(见图6)。木纤维因其在混合
18、料中纤维间距较小而具有较好的增加效果。聚酯纤维因其合适的尺寸和长径比而具有最好的增加效果。 4.2 冲击荷载下韧性 韧性即为材料在肯定荷载下所具有的变形实力,是材料延性和强度的综合。一般从宏观角度讲,韧性可定义为材料或结构从加载到失效为止汲取能量的实力。针对纤维沥青混凝上的冲击压缩应力-应变曲线特性,本文以应力-应变曲线下的面积作为韧度评价指标7-14。为此,对本试验应变率分别约为50(1/s)、110(1/s)和173(1/s)的3个应变率范围下应力-应变曲线分别在0-0.01、0-0.02、0-0.03、0-0.04、0-0.05应变范围内计算出了应力-应变曲线与应变轴所围面积S0.01、
19、S0.02、S0.03、S0.04、S0.05(韧性指标),其值见表3表5,图9给出了应变率约为110(1/s)时对比状况。 比照表3表5中数据,总体看来,随着聚酯纤维掺量的增加,试件的韧性指标明显增大,当聚酯纤维掺量为0.25%时,韧性指标最大,当纤维掺量进一步增加到0.4%时,由于强度的降低导致韧性指标不再增大反而有所减小。产生这一现象的缘由是纤维分布不匀称成团,使骨料间粘结力降低,在高应变率下甚至出现韧性指标比一般沥青混凝土低的现象。在高应变率加载条件下,聚酯纤维沥青混凝土韧性指标最大,玻璃纤维沥青混凝土次之,木纤维沥青混凝土韧性指标最差。 从6类试件整体状况看,在应变范围较小时,一般沥
20、青混凝土试件韧性指标大于或不明显低于纤维沥青混凝土的韧性指标,而随着应变范围增大,其提高幅度不如纤维沥青混凝土,这是由于一般沥青混凝土破坏应变比纤维沥青混凝土小,因此,在0-0.01应变范围内其汲取能量要高于纤维沥青混凝土,从而出现在0-0.01应变范围内一般沥青混凝土韧性指标高于纤维沥青混凝土的现象,同时由于纤维沥青混凝土最大应力的增大,导致其韧性指标的增大,从而也可能出现0-0.01应变范围内纤维沥青混凝土韧性指标略高于一般沥青混凝土的现象。纤维沥青混凝土的韧性随着应变范围的增大才渐渐得以体现,说明纤维沥青混凝土的韧性提高主要表现在非稳定破坏阶段。 5 结语 (1)在动力荷载作用下,沥青混
21、凝土具有应变率增加效应。也就是说,沥青混凝土的动力抗压强度随着应变率的增大而增大,但纤维沥青混凝土应变率效应没有一般沥青混凝土应变率效应明显。 (2)3种含量的聚酯纤维沥青混凝土动力抗压强度和韧性指标随纤维含量增大而明显增大,当含量增加到0.4%时,动力抗压强度和韧性指标不再增大反而有所减小。聚酯纤维掺量0.25%时,沥青混凝土抗压强度及韧性指标最优。 (3)在动力荷载作用下,玻璃纤维对沥青混凝土抗压强度增加作用减小。木纤维有较好的增加效果。聚酯纤维增加效果最优。纤维沥青混凝土抗压强度增长率随应变率提高有递减趋势。 (4)与一般沥青混凝土相比,3种纤维沥青混凝土韧性指标均有所提高。在高应变率加
22、载条件下,聚酯纤维沥青混凝土韧性指标最大,玻璃纤维沥青混凝土次之,木纤维沥青混凝土增韧效果最差。纤维沥青混凝土韧性指标增长率随应变率提高有递减趋势。 (5)纤维沥青混凝土韧性指标的提高在达到其应力峰值后的变现阶段得以体现,纤维沥青混凝土的韧性提高主要表现在非稳定破坏阶段。 参考文献 1JTG F40-2004马路沥青路面施工技术规范 S. JTG F40-2004 Technical specifications for construction of highway asphalt pavement S. (In Chinese) 2JTJ 052-2000. 马路工程沥青及沥青混合料试验规
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