纤维沥青混合料细观损伤断裂试验新型测试方法的应用_张垚.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 4 期 2023 年 4 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.4 Apr.2023 收稿日期:2022-11-10 基金项目:教育部产学合作协同育人项目(202101011031);国家自然科学基金资助项目(52178439,52108422)作者简介:张垚(1992),女,江苏扬州,博士,讲师,主要从事道路材料研究,。引文格式:张垚,陈虎,康爱红.纤维沥青混合料细观损伤断裂试验新型测试方法的应用J.实验技术与管理,2023,40(4):25-32.Cite this articl
2、e:ZHANG Y,CHEN H,KANG A H.Application of innovative test method for mesoscale fracture damage of fiber asphalt mixtureJ.Experimental Technology and Management,2023,40(4):25-32.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.04.003 纤维沥青混合料细观损伤断裂试验 新型测试方法的应用 张 垚1,陈 虎2,康爱红1,2(1.扬州大学 建筑科
3、学与工程学院,江苏 扬州 225127;2.江苏省玄武岩纤维复合建筑材料工程研究中心,江苏 扬州 225127)摘 要:沥青混合料的抗裂性能在很大程度上决定了沥青路面的使用寿命,其粗集料骨架及细观介质成分(FAM)等内部结构组成的差异又会影响沥青混合料的抗裂性能。纤维因其优异的物理力学特性被广泛应用于提升沥青混合料的抗裂性能,为了有效表征纤维沥青混合料的瞬时损伤演化并评估其断裂特性,开发了一种新型测试方法,通过原位动态拉伸(ISDT)试验对沥青混合料细观损伤断裂性能进行表征。为了研究纤维沥青混合料细观损伤与宏观断裂性能之间的关系,设计添加和不添加纤维的沥青混合料,进行宏观半圆弯拉(SCB)及细
4、观 ISDT 试验,定义荷载-位移曲线的特征参数表征其抗裂性能,并实时观测细观裂纹密度扩展情况。结果表明,随着纤维用量的增加,沥青混合料和 FAM 的断裂能和断裂韧性有相当的增加趋势,且沥青混合料及 FAM 的裂纹萌生及扩展存在滞后效应。因此,ISDT 试验是评价纤维沥青混合料细观损伤断裂性能的一种有效手段。关键词:纤维沥青混合料;细观损伤;介质成分;原位拉伸试验;裂纹密度 中图分类号:U414 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)04-0025-08 Application of innovative test method for mesoscale fracture
5、damage of fiber asphalt mixture ZHANG Yao1,CHEN Hu2,KANG Aihong1,2(1.College of Civil Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225127,China;2.Jiangsu Research Center of Basalt Fiber Composite Construction Materials,Yangzhou 225127,China)Abstract:The service life of asphalt pavement is st
6、rongly determined by the crack resistance of asphalt mixture,and the difference of its internal structures of asphalt mixtures,such as the aggregate skeleton and the fine aggregate matrix(FAM)can give a certain impact on the anti-cracking performance of asphalt mixture.Fiber is extensively used for
7、cracking resistance in asphalt mixtures owing to its outstanding physical and mechanical properties.To characterize the instantaneous damage evolution of fiber asphalt mixture and evaluate its fracture properties,an innovative test method is proposed to characterize the micro-damage fracture propert
8、ies of FAM by the in-situ tensile direct tension(ISDT)test.To study the relationship between the mesoscopic damage and macroscopic fracture performance of fiber asphalt mixture,the mixtures with and without fiber are designed for consideration.The semi-circular bending test(SCB)and ISDT test of the
9、asphalt mixture and FAM are conducted.The fracture property indexes are calibrated using the feature points of force-displacement curves.Then,the development of crack area density is observed in real time.The results show that the fracture energy and fracture toughness of the asphalt mixture and FAM
10、 increase with the increase of basalt fiber content.Moreover,the lagging effect can be detected in crack initiation and propagation.Hence,the proposed ISDT test can be recognized as an efficient implementation to evaluate the fracture performance of fiber asphalt mixtures.26 实 验 技 术 与 管 理 Key words:
11、fiber asphalt mixture;instantaneous damage;mesoscale interstitial components;in-situ tensile direct tensiontest;model of crack area density 目前,沥青混合料已广泛应用于高等级公路和城市道路1。然而,在温度应力和交通荷载的长期作用下,沥青路面容易出现裂缝,导致路面结构发生破坏2。纤维作为一种高性能添加剂,具有优异的物理化学性能,目前已被逐渐应用于沥青混合料中,以改善其力学性能3。为了减少沥青路面的维修频率,延长使用寿命,国内外学者对纤维沥青混合料的断裂和损伤
12、特性进行了深入研究4-7。为了探索纤维在沥青混合料抗裂中的作用机理,研究沥青混合料的开裂机理,Ling 等8根据 SCB 试验和断裂力学方法确定了宏观开裂阈值,以评估沥青混合料的断裂特性。Zhang等9将数字图像相关(DIC)技术应用于 SCB 试验,以研究沥青混合料的裂纹扩展速率。近年来,抗裂性能研究逐步从混合料宏观层面转到细观介质层面(FAM)10。Im 等11发现,FAM 规模的细观试验比沥青混合料规模的室内试验更具可重复性,也更有效。然而,现有的断裂性能试验方法和评价指标大多停留在宏观层面,因此,亟需开发更多有效的方法从细观尺度评价沥青混合料的断裂性能。扫描电子显微镜(SEM)可以用来
13、观测和分析微米甚至纳米尺度的材料,目前已被广泛应用于材料表面显微图像的获取12。Chen 等13从 SEM 图像中观察了纤维增强沥青的微观结构,并探讨了纤维在沥青中的增强机理。然而,标准 SEM 只具有成像功能,不能实时动态检测损伤发展,检测期间必须终止室内试验,这会导致具有自愈特性的沥青材料损伤演化形态的失真。原位扫描电镜(ESEM)由加载器和扫描电子显微镜组成,可在测试过程中同步进行扫描电子显微成像14。Zhao 等15使用 ESEM 观察玄武岩纤维增强环氧聚合物材料在疲劳试验过程中的损伤扩展。Ding等16通过 ESEM 观察了 FAM 的微裂纹演化,并建立了裂纹尖端周围微裂纹密度的损伤
14、变量。结果表明,界面破坏是 FAM 断裂试验的主导因素。因此,利用ESEM 研究沥青混合料的细观开裂行为具有重要意义。本文旨在开发一种沥青材料的新型原位直接拉伸试验方法,以表征纤维沥青混合料介质成分的细观瞬时损伤演化。利用环境扫描电镜实现细观开裂过程的动态观察和数据采集。设计含纤维和不含纤维的沥青混合料,通过 SCB 和 ISDT 试验结果,对断裂能、柔性指数、断裂韧性和裂纹开口位移(CMOD)进行评估,并验证从 FAM 层面研究纤维对沥青混合料影响的可行性,以达到指导沥青材料的设计、提高沥青材料的抗裂性能的目的。1 试验材料 1.1 矿料 所用集料为不规则形状的玄武岩骨料,将其逐层分档筛分,
15、测量其各档的表观密度和毛体积密度等参数见表 1。所用矿粉由石灰岩磨制而成,表面干净,各项指标符合相应规范要求,其各项性能参数见表 2。表 1 集料性能检测 筛孔尺寸/mm表观相对密度/(gcm3)毛体积相对密度/(gcm3)16.000 2.734 2.715 13.200 2.736 2.720 9.500 2.715 2.686 4.750 2.706 2.677 2.360 2.744 2.754 1.180 2.754 2.720 0.600 2.699 2.699 0.300 2.685 2.655 0.150 2.744 2.714 0.075 2.731 2.709 表 2 矿粉
16、性能检测 检测指标 检测结果 规范要求 相对密度/(gcm3)2.714 2.500 含水量/%0.38 1.00 表观形貌 无团状 无团状 1.2 SBS 改性沥青 本文所用沥青为成品 PG76-22 的 SBS 改性沥青,其各项性能均满足规范要求,具体性能参数检测结果见表 3。表 3 SBS 改性沥青性能指标及试验结果 检测项目 规范要求 试验结果试验方法针入度(25)/0.1 mm 6080 71 T0604 软化点/55 80 T0606 延度(5 cm/min,5)/cm30 48 T0605 离析(软化点差)/2.5 1.4 T0661 弹性恢复(25)/%65 76 T0662
17、1.3 纤维 以玄武岩纤维为例进行纤维沥青混合料细观断裂试验新型测试方法的开发,所用纤维为江苏天龙生产的 6 mm 短切玄武岩纤维(BF)。根据 JTG F402004 公路沥青路面施工技术规范和GB/T 250452010 玄武岩纤维无捻粗纱,对所用纤维的各项指标进行了检测,试验所得结果见表 4。张 垚,等:纤维沥青混合料细观损伤断裂试验新型测试方法的应用 27 表 4 玄武岩纤维性能检测结果 检测项目 规范要求 测试结果 断裂伸长率/%3.1 2.7 断裂强度/MPa 1 200 2 218 吸油率/%50 52 断裂强度保持率(耐热性)/%85 93 耐碱性/%75 89 1.4 纤维沥
18、青混合料配合比 以近代胶浆理论为基础,沥青混合料是一种多级空间网状的,以粗集料为分散相分散在沥青混合料FAM 中的粗分散系,FAM 是介于沥青混合料和沥青胶浆的一种中间尺度的分散系,为前后两个尺度搭建“桥梁”17。本文采用 SUP-13 密级配沥青混合料进行配合比设计,并基于此级配完成细观尺度 FAM 的配合比计算,FAM 为混合料中 2.36 mm 以下的细料和包裹在细料上的沥青组成,通过集料筛分试验及级配设计,得到沥青混合料和 FAM 的级配曲线见图 1。图 1 沥青混合料及 FAM 的级配曲线 通过马歇尔设计方法得到沥青混合料的最佳沥青用量为混合料总重量的 4.49%,加入纤维后,最佳沥
19、青用量随着纤维掺量的增加而增大。对于玄武岩纤维掺量为 0.1%的沥青混合料,最佳沥青用量为 4.58%,对于纤维掺量为 0.3%的沥青混合料,最佳沥青用量为4.66%。在进行 FAM 配合比计算时,首先要确定细观尺度下集料的最大公称粒径。根据混合料的最大公称粒径可以确定 FAM 的最大公称粒径,当采用最大公称粒径为 13.200 mm 的密级配沥青混合料时,FAM 由通过 2.360 mm 筛孔的细集料组成。因此,本文中的 FAM级配采用粒径小于 2.360 mm 的矿料。根据 SUP-13 沥青混合料的级配及最佳沥青用量,通过比表面积法计算得 FAM 的最佳沥青用量为 10.42%。当沥青混
20、合料中加入玄武岩纤维时,需要计算附着在纤维表面的沥青,此时 FAM 设计参数发生变化,掺入 0.1%纤维时,FAM 的最佳沥青用量为 10.57%,掺入 0.3%纤维时,FAM 的最佳沥青用量为 10.87%。2 试验方法 2.1 沥青混合料及 FAM 试件制备 根据沥青混合料的设计级配,采用旋转压实仪成型直径为 150 mm、高度 160 mm、目标空隙率 7.0%0.5%的标准圆柱体试件。从试件中部切出两个厚度为50 mm 的圆柱体,再将每个圆柱体切割成两个完全相同的半圆形试件,每个试件都在其底部中间位置切出一条 15 mm 的预切缝,获得 SCB 试验的 4 个平行试件,如图 2 所示。
21、图 2 沥青混合料 SCB 试件切割流程图 根据 FAM 的级配和最佳沥青用量,采用旋转压实仪成型直径为 150 mm,高度为 110 mm 的圆柱体,如图 3 所示。采用环境扫描电镜(ESEM)对 FAM 微观形貌进行研究时,需严格控制试件的细观尺寸。为确保观察到整个 FAM 试件的开裂过程和趋势,采用精密切割机制备尺寸为 20 mm6 mm3 mm 的棱柱体试件,并在试件长边的中点切出一条 1.5 mm 长的预切缝,如图 4 所示。图 3 FAM 旋转压实试件 图 4 FAM 棱柱体试样 28 实 验 技 术 与 管 理 由于试件小而薄,若与 ESEM 的原始夹具直接接触容易发生剪切破坏,
22、因此需要进行夹具设计。最初设计的夹具如图 5 所示,用此夹具进行试验时能避免与原始夹具直接接触,但在粘结试件时由于尺寸较小,很难确保左右两夹具完全平行。若粘结后两夹具不在一条水平线上,则在试验开始前的安装阶段就会对试件产生力的作用,从而影响试验结果。图 5 原始夹具设计 在此基础上设计的夹具如图 6 所示,此夹具在与试件粘结时容易保持平行,且不会发生倾倒,粘贴便捷,安装到 ESEM 上时对试件没有力的作用,得到的结果更加精确可靠。试件切割完成后,即可安装于自主设计的夹具上。将搅拌均匀的环氧树脂粘结剂适量涂抹在试件左右两面,分别与左右两夹具粘结,使试样处于两夹具的中间位置,在常温下静置 24 h
23、,待试件与夹具充分粘结固化后放入真空干燥箱内,干燥箱的温度设置为与室温相同。除了干燥处理以外,为了避免图像畸形,试验前需要在不导电的 FAM 试件表面喷上一层导电金属薄层,使图像清晰,便于观察。图 6 夹具改进设计 2.2 ISDT 断裂试验新型测试方法设计 通过环境扫描电镜设计 ISDT 试验研究 FAM 试件的细观损伤演化,环境扫描电镜由真空仓、拉伸台、计算机控制系统和自动精细喷涂机组成,如图 7 所示。在自动精细喷涂机可对 FAM 试件表面进行金属喷涂工作,在 ESEM 拉伸台上安装 FAM 导电样品,如图 8所示。然后将拉伸台推入 ESEM 真空仓,调整观察位置和放大倍数,在 15 下
24、以 1 mm/min 的速度进行ISDT 试验。计算机控制系统可以实时记录 FAM 试样的加载过程,显示微裂纹的萌生和扩展。从图 9 可以看出,当测试样品的表面上出现微裂纹时,可以在屏幕上捕捉到一些白噪声,如果裂纹穿透部分试样区域,图 7 环境扫描电镜 图 8 环境扫描电镜原位拉伸台 图 9 ESEM 电镜微裂纹捕捉 将出现黑色裂缝。采用 SCB 半圆弯曲试验方法测试沥青混合料的抗裂性能,为了观察沥青混合料裂纹扩展,在试件表面薄涂一层白漆,并标注透明刻度尺便于图像处理,如图 10 所示。在 15 下对试件施加 5 mm/min 的竖向位移,随着位移增加,荷载先增大后减小,减小到0.1 kN 时
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