纤维沥青混凝土动力学性能试验研究
摘要:采用变截面分离式Hopkinson压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB),对普通沥青混凝土、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研究。试验结果与分析表明,沥青混凝土具有应变率增强效应,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及韧性指标,聚酯纤维增强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, Hunan410082, China)
Abstract: 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-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 strain 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 concrete. 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; dynamic compressive strength; toughness index
引言
大量关于纤维沥青混凝土性能的研究成果表明,掺入纤维后可改善沥青混凝土的
使用性能,且由于纤维沥青混凝土的施工工艺较简单,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研究大都基于静态、准静态条件下,其动力力学性能的研究相对较少,
而作为路面材料被广泛使用的沥青混凝土在工作过程中除承受变化缓慢的准静态荷载外,同时还承受车载进行过程中的剧烈冲击作用,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、准静态试验提供的力学参数有很大不同,因此研究和测定纤维沥青混凝土动力学性能非常必要。本文以分离式霍普金斯压杆SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)试验技术对其进行研究,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研究也具有一定的意义。
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一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变化的过程,而贴于透射杆中间的应变片记录下透射波应变随时间变化的过程,通过分析计算,可得到试件材料的应力-应变关系曲线。
试验采用 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
本试验采用泰州产中海70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 μm,长度6mm,抗拉强度 500Mpa;玻璃纤维:无碱玻璃纤维,长度12mm、直径为9~13μm;木质素纤维:长度<6mm。
2.2 SHPB试件成型及试验安排
矿料级配采用AC-13[1]级配中值,最大粒径为16mm。试件成型采用静压法[2],在马歇尔试验确定的最佳沥青用量下静压成型,尺寸采用 。试验试件分6组,分组安排见表1。
每组试件分别进行应变率约为50(1/s)、110(1/s)和170(1/s)的SHPB压缩试验。试验温度控制在20℃,由专门设计的配合SHPB系统的高低温试验装置控制。为使试件受力均匀,避免接触不平,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均匀,还在入射杆的打击端加设波形整形器,以消除高频震荡,改善加载波质量[3]。
3 SHPB试验结果
为保证试验结果的可靠性,本实验对每组试件每个应变率下进行4-5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。应变率硬化原因可以从以下两方面进行解释:(1)在沥青混凝土内部、骨料周围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,因而需要的能量就越多;又因为冲击荷载作用的时间极短,材料没有足够的时间用于能量的累积,即变形缓冲作用小,根据冲量定理或功能原理,它只有通过增加应力的办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 F[5] 和Janach W[6] 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准确地说是一维应力,特别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)、170(1/s)的情况下,抗压强度增长率(纤维沥青混凝土与普通沥青混凝土动力抗压强度的差值占普通沥青混凝土动力抗压强度的百分比)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)、170(1/s)的情况下,抗压强度增长率分别为14.5%、13.1%、5.1%;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)、170(1/s)的情况下,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,当在普通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170(1/s)时甚至出现负增长。造成这种现象的主要原因是:随着应变率的增大,纤维的增强作用减弱,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本来不及发挥其增强效应,而混凝土材料的应变率增强效应又使纤维沥青混凝土的抗压强度仍然有所增长。也就是说,在低应变率时,试件的动力抗压强度的增长由应变率增强效应和纤维阻裂增强共同引起,而随着应变率的增大,纤维阻裂增强减弱甚至消失,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)、170(1/s)的情况下,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)、170(1/s)的情况下,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似,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,这一结果与静态下研究成果不同—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强,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强作用,其强度有较大的增长;在动荷载作用时,荷载作用时间短,纤维桥接增强作用较小,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)。木纤维因其在混合料中纤维间距较小而具有较好的增强效果。聚酯纤维因其合适的尺寸和长径比而具有最好的增强效果。
4.2 冲击荷载下韧性
韧性即为材料在一定荷载下所具有的变形能力,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吸收能量的能力。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,对本实验应变率分别约为50(1/s)、110(1/s)和170(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、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)时对比情况。
对照表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。产生这一现象的原因是纤维分布不均匀成团,使骨料间粘结力降低,在高应变率下甚至出现韧性指标比普通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类试件整体情况看,在应变范围较小时,普通沥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,这是由于普通沥青混凝土破坏应变比纤维沥青混凝土小,因此,在0-0.01应变范围内其吸收能量要高于纤维沥青混凝土,从而出现在0-0.01应变范围内普通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普通沥青混凝土的现象。纤维沥青混凝土的韧性随着应变范围的增大才逐渐得以体现,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,沥青混凝土具有应变率增强效应。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普通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强作用减小。木纤维有较好的增强效果。聚酯纤维增强效果最优。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)与普通沥青混凝土相比,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
[1]JTG F40-2004公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)
[2]JTJ 052-2000. 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 [S].
JTJ 052-2000. Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for Highway engineering [S]. (In Chinese)
[3]孟益平, 胡时胜. 混凝土材料冲击试验中的一些问题[J]. 实验力学, 2003, 18(1): 108-112.
MENG Yi-ping, HU Shi-sheng. Some issues in testing concrete under impact loading [J]. Experimental Mechanics, 2003, 18(1): 108-112. (In Chinese)
[4]王道荣, 胡时胜. 骨料对混凝土材料冲击压缩行为的影响 [J]. 试验力学, 2002, 17(1): 23-27.
WANG Dao-rong, HU Shi-sheng. Influence of aggregate on compressive behavior of concrete materials [J]. Experimental Mechanics, 2002, 17(1): 23-27.(In Chinese)
[5]BRACC W F, JONCES A H. Comparison of uniaxial deformation in shock and static loading of three rocks [J]. Geophysical Research, 1971, 76 (20): 4913-4921
[6]JANACH W. The role of bulking in brittle failure of rocks under rapid compression [J]. International Journal of Rock Mechanical and Mining Science, 1976, 13(6): 177-186.
[7]赵景海, 程龙保. 钢纤维混凝土设计与施工 [M]. 哈尔滨: 黑龙江科学技术出版社, 1998.
ZHAO Jing-hai, CHENG Long-bao. Design and construction of steel fiber concrete [M]. Harbin: Heilongjiang Science and Technology Press, 1998. (In Chinese)
[8]ASTM C1018-97. Standard test method for flexural toughness and fist-crack strength of fiber reinforced concrete (using beam with third-point loading) [S]. American Society of Testing and Materials, Philadelphia, 1995.
[9]JSCE SF4-84. Standard test methods of fiber reinforced concrete [S]. Japan Society of Civil Engineering.
[10]ACI Committee 544. Measurments of properties of fiber reinforced concrete [J]. ACI Materials Journal, 1988, 85(6): 583-593.
[11]JCI SF4-83 JCI standards for test methods of fiber reinforced concrete[S]. Japan Concrete Institute.
[12]BANTHIA N, TROTTIER J F. Test method for flexural toughness characterization of fiber reinforced concrete: some concrete and proposition [J]. ACI Materials Journal, 1995, 92(1): 48-57.
[13]胡金生, 杨秀敏, 周早生. 钢纤维混凝土与聚丙烯纤维混凝土材料冲击荷载下纤维增韧特性实例研究 [J]. 建筑结构学报, 2005, 26(2): 101-105.
HU Jin-sheng, YANG Xiu-min, ZHOU Zao-sheng. Experimental study on fiber toughness increase characteristics of steel fiber reinforced concrete and polypropylene fiber reinforced concrete under impact load [J]. Journal of Building Structures, 2005, 26(2): 101-105. (In Chinese)
[14]TEKALUR S A, SHUKLA A, SADD M, LEE K W. Mechanical Characterization of a bituminous mix under quasi-static and high-strain rate loading. Construction and Building Materials, 2009, 23(5): 1795–1802.