吳金榮，馬芹永

(安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001)

聚酯纖維對(duì)透水瀝青混凝土沖擊壓縮性能的影響*

吳金榮，馬芹永

(安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001)

為研究聚酯纖維對(duì)透水瀝青混凝土沖擊壓縮性能的影響，采用?74 mm鋼質(zhì)分離式霍普金森壓桿裝置對(duì)摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚酯纖維透水瀝青混凝土進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)。在靜態(tài)和4個(gè)應(yīng)變率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，透水聚酯纖維瀝青混凝土是應(yīng)變率敏感性材料，具有較強(qiáng)應(yīng)變率效應(yīng)。透水聚酯纖維瀝青混凝土具有較好的延展性，動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線分為3個(gè)階段：彈性變形階段、塑性變形階段和破壞階段。當(dāng)應(yīng)變率相同時(shí)，隨著摻雜聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律，摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%時(shí)，沖擊抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。沖擊抗壓強(qiáng)度約為靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的8～13倍。

固體力學(xué)；沖擊壓縮性能；抗壓強(qiáng)度；應(yīng)變率效應(yīng)；SHPB；聚酯纖維；透水瀝青混凝土

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，瀝青路面在充分發(fā)揮表面平整、行車舒適、噪音小、無(wú)揚(yáng)塵等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也暴露出一些問(wèn)題。普通瀝青路面是不透水的，雨雪天路面積水無(wú)法及時(shí)排除，使路面抗滑性能下降，交通事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響了行車安全。而采用透水瀝青路面能有效解決上述問(wèn)題。

目前，對(duì)透水瀝青路面的研究主要集中在材料結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)和靜態(tài)性能方面。R.B.Mallick等[1]對(duì)開(kāi)級(jí)配瀝青磨耗層(open graded friction course, OGFC)在原材料、配合比設(shè)計(jì)方法和面層厚度等方面進(jìn)行了改進(jìn)。P.Herrington等[2]對(duì)肯塔堡飛散實(shí)驗(yàn)(馬歇爾試件在洛杉磯實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)撞擊規(guī)定次數(shù)后，散落混合料的質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)行了改進(jìn)，增加加速老化的過(guò)程，研究了透水瀝青路面的耐久性問(wèn)題。為了解決透水瀝青路面強(qiáng)度不高的問(wèn)題，B.Simon等[3]將水泥摻加到透水瀝青混合料中，使用效果較好，滿足了強(qiáng)度和透水的雙重功效。國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，得到了一些有價(jià)值的研究成果[4-8]：不同改性瀝青類型對(duì)透水瀝青路面的性能有著不同的影響，應(yīng)區(qū)別對(duì)待；采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段聚合物(styrene-butadiene-styrene，SBS)改性瀝青摻加纖維來(lái)代替TAFPACK-super(TPS)高粘度改性瀝青，或采用環(huán)氧改性瀝青混合料，均能滿足透水瀝青路面的各項(xiàng)指標(biāo)要求；透水瀝青混合料中可以摻加水泥、消石灰、生石灰等不同種類的填料，以取代部分礦粉，能夠改善其水穩(wěn)性。而透水瀝青路面動(dòng)態(tài)性能方面的研究很少。

本文中實(shí)驗(yàn)采用的透水瀝青混凝土摻雜了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚酯纖維配制而成，并采用?74 mm鋼質(zhì)SHPB裝置進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，得到摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚酯纖維和應(yīng)變率對(duì)透水瀝青混凝土材料沖擊壓縮性能的影響及變化規(guī)律，可為透水瀝青路面的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與試件成形

實(shí)驗(yàn)采用細(xì)粒式PAC-13型透水瀝青混凝土，通過(guò)不同篩孔口徑16.000、13.200、9.500、4.750、2.360、1.180、0.600、0.300、0.150和0.075 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為100.0%、95.0%、65.0%、15.0%、12.0%、12.0%、9.5%、7.5%、5.5%和4.0%。填料為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，摻雜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。瀝青為SBS改性瀝青，其針入度(25 ℃，100 g，5 s)為4.81 mm，延度(25 ℃，5 cm/min)大于100 cm，軟化點(diǎn)為81.5 ℃，25 ℃時(shí)的相對(duì)密度為1.043。

根據(jù)規(guī)范要求，摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少為0.30%。實(shí)驗(yàn)時(shí)，摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.30%、0.35%、0.40%、0.45%和0.50%，由于聚酯纖維具有一定的吸油性，摻雜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，對(duì)應(yīng)的瀝青最佳用量越大，因此通過(guò)析漏實(shí)驗(yàn)和馬歇爾實(shí)驗(yàn)[9]綜合確定瀝青的最佳用量分別為5.00%、5.05%、5.10%、5.15%和5.20%。

試件為?70 mm×35 mm的圓柱體，符合SHPB實(shí)驗(yàn)中試件長(zhǎng)徑比為0.5的要求[10]，由千斤頂配合反力架采用靜壓法成形。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

SHPB技術(shù)被廣泛用于材料動(dòng)力學(xué)性能的研究[11]，其工作原理是通過(guò)壓縮氣體達(dá)到一定的氣壓作用于撞擊桿，使撞擊桿撞擊入射桿產(chǎn)生應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)試件時(shí)，一部分被反射，另一部分通過(guò)試件傳遞給透射桿，通過(guò)粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片采集應(yīng)力波信號(hào)，以此獲得材料的動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)，如應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力等。

實(shí)驗(yàn)采用?74 mm鋼質(zhì)SHPB裝置實(shí)施單軸沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)。撞擊桿、入射桿和透射桿的長(zhǎng)度分別為600、2 400和2 000 mm。由于透水瀝青混凝土波阻抗相對(duì)較低，透射信號(hào)非常微弱，采用靈敏系數(shù)110的半導(dǎo)體應(yīng)變片進(jìn)行采集；入射信號(hào)采用普通箔式應(yīng)變片進(jìn)行采集。試件的兩端涂抹凡士林作為耦合劑，減小慣性效應(yīng)和摩擦效應(yīng)。

圖1 整形后典型波形Fig.1 Typical wave after shaping

在SHPB實(shí)驗(yàn)中，只要加載波在試件內(nèi)部來(lái)回反射2次以上，就能滿足試件內(nèi)部的應(yīng)力均勻性要求[12]。應(yīng)力波在透水瀝青混凝土試件中來(lái)回反射2次所需的入射脈沖前沿升時(shí)至少應(yīng)為47 μs，才能保證試件內(nèi)部達(dá)到應(yīng)力、應(yīng)變的均勻狀態(tài)。未整形前，入射脈沖前沿升時(shí)約為50 μs，即便是很薄的試件，也不能達(dá)到應(yīng)力均勻。采用凡士林對(duì)入射脈沖進(jìn)行整形后，波形得到明顯改善，入射脈沖前沿升時(shí)可達(dá)100 μs，足夠應(yīng)力脈沖在試件內(nèi)部來(lái)回反射2次，有利于試件在加載過(guò)程中的應(yīng)力均勻。同時(shí)，波形平滑、震蕩明顯減少，達(dá)到峰值后變化也比較平緩，整形后典型的入射波、反射波和透射波如圖1所示。

3 SHPB實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 SHPB實(shí)驗(yàn)結(jié)果

沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)前，進(jìn)行了同尺寸透水瀝青混凝土試件的靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得了試件的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%時(shí)，靜態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為3.84、4.30、4.52、3.35、3.21 MPa。通過(guò)多次試打確定平均應(yīng)變率分別為80、90、100和120 s-1。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用二波法[13]進(jìn)行處理，試件的應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力分別為：

(1)

(2)

(3)

圖2(a) 摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%聚酯纖維的透水瀝青混凝土動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.2(a) Dynamic response of permeable asphalt concrete contained polyester fiber with mass fraction of 0.30%

圖2(b) 摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.35%聚酯纖維的透水瀝青混凝土動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.2(b) Dynamic response of permeable asphalt concrete contained polyester fiber with mass fraction of 0.35%

圖2(c) 摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.40%聚酯纖維的透水瀝青混凝土動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.2(c) Dynamic response of permeable asphalt concrete contained polyester fiber with mass fraction of 0.40%

圖2(d) 摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.45%聚酯纖維的透水瀝青混凝土動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.2(d) Dynamic response of permeable asphalt concrete contained polyester fiber with mass fraction of 0.45%

圖2(e) 摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.50%聚酯纖維的透水瀝青混凝土動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.2(e) Dynamic response of permeable asphalt concrete contained polyester fiber with mass fraction of 0.50%

由圖2可知,沖擊抗壓強(qiáng)度是指瀝青混凝土試件在承受外界沖擊壓縮荷載時(shí)所能達(dá)到的最大應(yīng)力值，用來(lái)反映瀝青混凝土抵抗沖擊破壞的能力[14]。當(dāng)摻雜聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，沖擊抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值隨著應(yīng)變率的增大而升高，應(yīng)變率80、90、100和120 s-1的峰值應(yīng)力分別約是靜態(tài)下的8、9、11和13倍。

3.2 SHPB實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 聚酯纖維對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線影響

由圖2可以看出，透水瀝青混凝土動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線分為3個(gè)階段，即彈性變形階段(見(jiàn)圖2中的OA1、OA2、OA3、OA4)、塑性變形階段(即空隙壓密階段，見(jiàn)圖2中的A1B1、A2B2、A3B3、A4B4)和破壞階段(見(jiàn)圖2中的B1C1、B2C2、B3C3、B4C4)。由于 初期施加的沖擊荷載較小，應(yīng)力與應(yīng)變近似呈線性規(guī)律變化，處于彈性變形階段。隨著沖擊荷載的不斷增加，應(yīng)力與應(yīng)變不再服從線性規(guī)律，由彈性過(guò)渡到塑性。由于其具有18%～25%的空隙率，在沖擊荷載作用下，空隙被逐漸排除，試件逐漸被壓密，表現(xiàn)出明顯的延展性。當(dāng)沖擊荷載繼續(xù)增加時(shí)，試件逐漸達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，應(yīng)力達(dá)到極限值，隨后動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線急轉(zhuǎn)直下[15]。在同一應(yīng)變率下，隨著摻雜聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增大，透水瀝青混凝土的彈性變形不斷增大，塑性變形不斷減??；當(dāng)摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%時(shí)，彈性變形達(dá)到最大，塑性變形最小；當(dāng)摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.40%并繼續(xù)增大時(shí)，彈性變形急劇減小，塑性變形增大。這種變化規(guī)律也表現(xiàn)在動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線上。

由圖2可以看出，當(dāng)摻雜聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，應(yīng)變率由80 s-1逐漸增大至120 s-1時(shí)，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強(qiáng)度逐漸提高。一方面，透水瀝青混凝土具有較大的空隙率，空隙內(nèi)部存在大量微裂紋。裂紋擴(kuò)展需要的能量要比其產(chǎn)生的能量小很多[16]。在沖擊荷載的短時(shí)作用下，材料沒(méi)有足夠的時(shí)間積聚能量，只能通過(guò)增加應(yīng)力的途徑來(lái)抵消外部能量。另一方面，試件尺寸較大，沖擊荷載使試件內(nèi)部，特別是中心處，已不是一維應(yīng)力狀態(tài)，慣性作用制約了試件側(cè)向應(yīng)變，而且應(yīng)變率越高，制約作用越大，使試件近似處于圍壓作用[17]。因此，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而提高。試件的破壞形態(tài)有壓縮、裂縫、塊裂和碎裂，如圖3所示。

圖3 透水瀝青混凝土破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of permeable asphalt concrete

圖4 透水瀝青混凝土沖擊抗壓強(qiáng)度與摻雜聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.4 Relation between dynamic compressive strength and polyester fiber mass fraction

3.2.2 聚酯纖維對(duì)沖擊抗壓強(qiáng)度影響

在同一應(yīng)變率條件下，隨著摻雜聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律，說(shuō)明聚酯纖維摻量存在合理值，如圖4所示。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于在透水瀝青混凝土中摻加聚酯纖維，當(dāng)摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.40%時(shí)，聚酯纖維分散性較好，能夠吸附瀝青中的飽和烴和芳香烴，使瀝青黏性增強(qiáng)，起到加筋和橋接的作用[18]，導(dǎo)致瀝青與集料間的粘聚力增大，使沖擊抗壓強(qiáng)度得到提高。當(dāng)摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.40%并繼續(xù)增大時(shí)，由于摻加的聚酯纖維過(guò)多，無(wú)法均勻分散，產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，影響其加筋和橋接作用的發(fā)揮，使沖擊抗壓強(qiáng)度反而降低。0.40%為最合理的摻量，此時(shí)聚酯纖維的加筋和橋接作用最強(qiáng)，沖擊抗壓強(qiáng)度也最大。

4 結(jié) 論

采用?74 mm鋼質(zhì)SHPB裝置對(duì)透水瀝青混凝土進(jìn)行了摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚酯纖維和不同應(yīng)變率的沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，得到的主要結(jié)論有：

(1)透水聚酯纖維瀝青混凝土是應(yīng)變率敏感性材料，具有較好的延展性，動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線分為彈性、塑性和破壞3個(gè)階段。

(2)當(dāng)應(yīng)變率相同時(shí)，隨著摻雜聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律，摻雜聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%時(shí)，沖擊抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

(3)應(yīng)變率80、90、100和120 s-1的沖擊抗壓強(qiáng)度分別約是靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的8、9、11和13倍。

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(責(zé)任編輯 王易難)

Influence of polyester fiber on impact compressive characteristics of permeable asphalt concrete

Wu Jinrong, Ma Qinyong

(MOEResearchCenterofMineUndergroundEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,Anhui,China)

In order to investigate the influence of polyester fiber on impact characteristics of permeable asphalt concrete, ?74 mm steel SHPB apparatus is adopted to conduct impact compressive test with various strain rates and different polyester fiber contents. The results of specimens under static condition and dynamic conditions with four strain rates show that the permeable polyester fiber asphalt concrete is a material sensitive to the change of the strain rate and exhibits a significant strain rate effect. It has good ductility and dynamic stress-strain curve that is characterized by three stages: Elastic deformation, plastic deformation and failure. When the strain rate remains the same, the impact compressive strength of permeable asphalt concrete first increases and then declines with the increase of the polyester fiber content. At this time it shows an optimum polyester fiber content of 0.40% and its impact compressive strength reaches its maximum. The impact compressive strength is about 8-13 times as large as the static compressive strength.

solid mechanics; impact compressive characteristics; compressive strength; strain rate effect; SHPB; polyester fiber; permeable asphalt concrete

10.11883/1001-1455(2016)02-0279-06

2014-08-13；

安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2013A082)

吳金榮(1977— )，女，博士，副教授，wujr2000@163.com。

O347.3 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13015

A

修回日期： 2014-11-10