CN112539997B - 一种玄武岩纤维增强沥青砂浆原位拉伸断裂试验方法 - Google Patents

一种玄武岩纤维增强沥青砂浆原位拉伸断裂试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种玄武岩纤维增强沥青砂浆原位拉伸断裂试验方法，包括如下步骤：试样制备；试件切割；夹具设计与安装；加载观测；结果分析。本发明将制备的玄武岩纤维沥青砂浆试样切割后与所设计的夹具粘合，通过环境扫描电镜实现细观开裂过程的动态观测和数据采集，并用断裂能、裂缝扩展速率、微裂纹密度等指标对试验结果进行评价分析。该试验方法可以应用于研究玄武岩纤维对沥青砂浆的阻裂机理，从而指导沥青路面材料设计，提高沥青路面的抗裂性能。

Description

一种玄武岩纤维增强沥青砂浆原位拉伸断裂试验方法
技术领域
本发明涉及一种玄武岩纤维增强沥青砂浆原位拉伸断裂试验方法，属于道路工程技术领域。
背景技术
近年来我国对道路建设的投入逐年增加，对沥青路面材料的性能指标也提出了严格要求。目前沥青路面的早期病害中开裂型病害占多数，因此改善沥青混合料的抗开裂性能是当前路面材料研究的重点。沥青砂浆作为其重要组成成分，与沥青混合料的抗裂性能存在密切的相关性。根据断裂力学，裂缝的基本类型有张开型、剪切型、撕开型，即Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型。国内外学者采用小梁弯曲试验、半圆弯拉试验、间接拉伸试验等方法对沥青砂浆或混合料的抗裂性能及玄武岩纤维对其增强效果进行研究。这些研究大多局限于宏观性能分析且只针对Ⅰ型裂缝，未能揭示纤维沥青砂浆和沥青混合料的作用机理。在循环往复车辆荷载作用下，沥青路面受外界环境影响容易产生开裂现象，并且开裂形式非单一化，存在抗弯、抗拉和抗剪破坏。在砂浆和混合料层面可用一定的开裂角度表示，因此应同时考虑Ⅰ型裂缝和Ⅱ型裂缝。如果能够充分考虑路面材料开裂形式，设计一种玄武岩纤维沥青砂浆微观试验方法，实现沥青砂浆实时开裂观测，将有助于研究玄武岩纤维对沥青砂浆和混合料的阻裂机理，从而指导沥青路面材料设计，提高沥青路面的抗裂性能。
发明内容
本发明目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种玄武岩纤维增强沥青砂浆原位拉伸断裂试验方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种玄武岩纤维增强沥青砂浆原位拉伸断裂试验方法，包括如下步骤：
1)试样制备：配备玄武岩纤维沥青砂浆，以质量百分比计，玄武岩纤维沥青砂浆包括SBS改性沥青10.2～11.3％、短切玄武岩纤维0.3％～0.4％、矿料88.4％～90.2％；将玄武岩纤维沥青砂浆通过旋转压实仪成型为沥青砂浆圆柱体试件；
2)试件切割：将制备好的沥青砂浆圆柱体试件钻芯取样，切除上下表面及外表面后，从中切割出适用于环境扫描电镜的沥青砂浆微结构尺度试件，并在试件中间处切出一道预切缝；
3)夹具设计与安装：试件切割完成后，将试件安装于夹具上；然后将夹具套在环境扫描电镜拉伸台上，实现张开型开裂、剪切型开裂、半张开半剪切型开裂模式加载；
4)加载观测：将拉伸台置于扫描电镜内并连接完毕，对试样进行拉伸，在加载过程中对试样的微裂纹及裂缝扩展行为进行实时观测，对力-位移曲线数据进行采集；
5)结果分析：根据试验过程中采集的动态开裂图像和数据，计算得到试样的断裂能、裂缝扩展速率、微裂纹密度，并与未掺纤维的试样测试结果进行对比分析。
所述的矿料包括粒径小于2.36mm的细集料和粒径小于0.075mm的矿粉。
步骤3)中，所述夹具包括左L形夹具、右L形夹具,左L形夹具、右L形夹具长度相同，且形状相同；
所述左L形夹具上设有一号孔A、二号孔A、三号孔A、四号孔A，一号孔A、二号孔A、三号孔A、四号孔A位于左L形夹具的中心线上，一号孔A、二号孔A之间的距离与二号孔A、三号孔A之间的距离相等；一号孔A、二号孔A与三号孔A、四号孔A沿左L形夹具对称轴呈对称分布；所述左L形夹具的内侧设有左粘结区，左粘结区位于左L形夹具设有一号孔A、二号孔A的一边，且左粘结区长度与一号孔A中心、二号孔A中心之间距离相等；
所述右L形夹具上设有一号孔B、二号孔B、三号孔B、四号孔B，一号孔B、二号孔B、三号孔B、四号孔B位于右L形夹具的中心线上，一号孔B、二号孔B之间的距离与二号孔B、三号孔B之间的距离相等；一号孔B、二号孔B与三号孔B、四号孔B沿右L形夹具对称轴呈对称分布；所述右L形夹具的内侧设有右粘结区，右粘结区位于右L形夹具设有一号孔B、二号孔B的一边，且右粘结区长度与一号孔B中心、二号孔B中心之间距离相等。
步骤3)中，试件切割完成后，将试件安装于夹具上；具体为：
将搅拌均匀的环氧树脂粘结剂涂抹在试件左右两面，分别与左L形夹具的左粘结区、右L形夹具的右粘结区粘结，使试样居中处于左粘结区、右粘结区内，在常温下静置24h，待试件与左L形夹具、右L形夹具充分粘结固化；
当同时选择左L形夹具的一号孔A、二号孔A和右L形夹具的一号孔B、二号孔B与拉伸台相连时，将夹具套在环境扫描电镜拉伸台上，实现张开型开裂；
当同时选择左L形夹具的三号孔A、四号孔A和右L形夹具的三号孔B、四号孔B与拉伸台相连时，将夹具套在环境扫描电镜拉伸台上，实现剪切型开裂；
当同时选择左L形夹具的二号孔A、三号孔A和右L形夹具的二号孔B、三号孔B与拉伸台相连时，将夹具套在环境扫描电镜拉伸台上，实现半张开半剪切型开裂。
步骤1)中，沥青砂浆圆柱体试件的直径为150mm，高度100mm。
本发明方法先进学，通过本发明提供的一种玄武岩纤维增强沥青砂浆原位拉伸断裂试验方法，将制备的玄武岩纤维沥青砂浆试样切割后与所设计的夹具粘合，通过环境扫描电镜实现细观开裂过程的动态观测和数据采集，并用断裂能、裂缝扩展速率、微裂纹密度等指标对试验结果进行评价分析。该试验方法可以应用于研究玄武岩纤维对沥青砂浆的阻裂机理，从而指导沥青路面材料设计，提高沥青路面的抗裂性能。能够动态观测并记录三种开裂形式下纤维沥青砂浆开裂过程。试验过程简易可行，提出的3个试验指标具有明确的物理意义，便于与不掺纤维情况下的试验结果进行对比。该试验方法有助于研究玄武岩纤维对沥青砂浆的阻裂机理，从而指导沥青路面材料设计，提高沥青路面的抗裂性能。
附图说明
图1为本发明试验方法的流程图；
图2为本发明试验方法的整体夹具图；
图3-1为本发明中左L形夹具结构示意图；
图3-2为本发明中右L形夹具结构示意图；
图4-1为本发明试验方法张开型开裂形式的试验装置示意图；
图4-2为本发明试验方法剪切型开裂形式的试验装置示意图；
图4-3为本发明试验方法半张开半剪切型开裂形式的试验装置示意图；
图中：1-1一号孔A、1-2二号孔B、2-1二号孔A、2-2二号孔B、3-1三号孔A、3-2三号孔B、4-1四号孔A、4-2四号孔B、5-1左L形夹具、5-2右L形夹具。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1～图4所示，一种玄武岩纤维增强沥青砂浆原位拉伸断裂试验方法，包括如下步骤：
(1)试样制备：以质量百分比计，该玄武岩纤维沥青砂浆包括SBS改性沥青10.2～11.3％、短切玄武岩纤维0.3％～0.4％、矿料88.4％～90.2％。矿料包括粒径小于2.36mm的细集料和粒径小于0.075mm的矿粉。粒径为1.18mm～2.36mm，0.6mm～1.18mm，0.3mm～0.6mm，0.15mm～0.3mm，0.075mm～0.15mm以及小于0.075mm的矿料分别占矿料总质量的24.2％，24.0％，19.0％，5.8％，9.3％，17.7％。通过旋转压实仪成型直径为150mm，高度100mm的圆柱体试件。
(2)试件切割：将制备好的沥青砂浆圆柱体试件钻芯取样，切除上下表面及外表面后，采用精密切割机从中切割出适用于环境扫描电镜的6块尺寸为20mm×5mm×5mm的小试件，并在试件长度方向的中点切出一道长1.2mm的预切缝，从而完成试件切割。
(3)夹具设计与安装：如图2所示，试件切割完成后，即可安装于自主设计的夹具上；夹具的结构包括左L形夹具5-1、右L形夹具5-2,左L形夹具5-1、右L形夹具5-2长度相同，且形状相同；所述左L形夹具5-1上设有一号孔A1-1、二号孔A2-1、三号孔A3-1、四号孔A4-1，一号孔A1-1、二号孔A2-1、三号孔A3-1、四号孔A4-1位于左L形夹具5-1的中心线上，一号孔A1-1、二号孔A2-1之间的距离与二号孔A2-1、三号孔A3-1之间的距离相等；一号孔A1-1、二号孔A2-1与三号孔A3-1、四号孔A4-1沿左L形夹具5-1对称轴呈对称分布；所述左L形夹具5-1的内侧设有左粘结区6-1，左粘结区6-1位于左L形夹具5-1设有一号孔A1-1、二号孔A2-1的一边，且左粘结区6-1长度与一号孔A1-1中心、二号孔A2-1中心之间距离相等；所述右L形夹具5-2上设有一号孔B1-2、二号孔B2-2、三号孔B3-2、四号孔B4-2，一号孔B1-2、二号孔B2-2、三号孔B3-2、四号孔B4-2位于右L形夹具5-2的中心线上，一号孔B1-2、二号孔B2-2之间的距离与二号孔B2-2、三号孔B3-2之间的距离相等；一号孔B1-2、二号孔B2-2与三号孔B3-2、四号孔B4-2沿右L形夹具5-2对称轴呈对称分布；所述右L形夹具5-2的内侧设有右粘结区6-2，右粘结区6-2位于右L形夹具5-2设有一号孔B1-2、二号孔B2-2的一边，且右粘结区6-2长度与一号孔B1-2中心、二号孔B2-2中心之间距离相等。使用时：
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L形夹具5-1的左粘结区6-1、右L形夹具5-2的右粘结区6-2粘结，使试样居中处于左粘结区6-1、右粘结区6-2内，在常温下静置24h，待试件与左L形夹具5-1、右L形夹具5-2充分粘结固化；通过左L形夹具5-1上的一号孔A1-1、二号孔A2-1、三号孔A3-1、四号孔A4-1，右L形夹具5-2上的一号孔B1-2、二号孔B2-2、三号孔B3-2、四号孔B4-2，将夹具套在环境扫描电镜拉伸台上，实现张开型开裂、剪切型开裂、半张开半剪切型开裂模式加载。
三种开裂形式如图4所示。当左L形夹具5-1、右L形夹具5-2同时选择一号孔A1-1、二号孔A2-1、一号孔B1-2、二号孔B2-2与拉伸台相连时可实现张开型开裂，当左L形夹具5-1、右L形夹具5-2同时选择三号孔A3-1、四号孔A4-1、三号孔B3-2、四号孔B4-2与拉伸台相连时可实现剪切型开裂，当左L形夹具5-1、右L形夹具5-2同时选择二号孔A2-1、三号孔A3-1、二号孔B2-2、三号孔B3-2与拉伸台相连时可实现半张开半剪切型开裂。
(4)加载观测：将拉伸台置于扫描电镜内并连接完毕，以1mm/min的加载速率对玄武岩纤维沥青砂浆试样进行拉伸，在加载过程中对试样的微裂纹及裂缝扩展行为进行实时观测，对力-位移曲线数据进行采集；
(5)结果分析：根据试验过程中采集的动态开裂图像和数据，计算得到玄武岩纤维沥青砂浆试样的断裂能、裂缝扩展速率、微裂纹密度，并与未掺纤维的试样测试结果进行对比分析。
断裂能就是试样承受拉伸荷载，裂缝扩展单位面积所需要的能量。在本试验中，可以由计算得到的力-位移曲线下的面积和断裂面的面积求得断裂能。断裂能计算公式如下：
式中：
Gf——断裂能(J/m2)
A——力-位移曲线与坐标轴围成的面积(m2)
B——试件厚度(m)
W——试件宽度
a——预切缝长度
裂缝扩展速率为各时间点环境扫描电镜图像经图像处理软件量得的裂缝长度与时间的比值；微裂纹密度为各时间点环境扫描电镜下的裂纹尖端区域微裂纹面积与总面积的比值，微裂纹面积由image pro-plus软件通过设置颜色RGB范围处理得到。
由这三个试验指标可以将掺玄武岩纤维沥青砂浆与未掺玄武岩纤维沥青砂浆进行对比，综合分析得出玄武岩纤维对沥青砂浆的提升效果。
通过本发明，能够动态观测并记录三种开裂形式下纤维沥青砂浆开裂过程。该试验方法适用于模拟所有类型沥青砂浆的开裂行为，具有广泛的适用性和可行性，提出的3个试验指标具有明确的物理意义，便于与不掺纤维情况下的试验结果进行对比。该试验方法很大程度上弥补了宏观性能试验的不足，有助于研究玄武岩纤维对沥青砂浆的阻裂机理，从而指导沥青路面材料设计，提高沥青路面的抗裂性能。

Claims (2)

1.一种玄武岩纤维增强沥青砂浆原位拉伸断裂试验方法，包括如下步骤：(1)试样制备：配备玄武岩纤维沥青砂浆，以质量百分比计，玄武岩纤维沥青砂浆包括SBS改性沥青10.2～11.3％、短切玄武岩纤维0.3％～0.4％、矿料88.4％～90.2％；将玄武岩纤维沥青砂浆通过旋转压实仪成型为沥青砂浆圆柱体试件；(2)试件切割：将制备好的沥青砂浆圆柱体试件钻芯取样，切除上下表面及外表面后，从中切割出适用于环境扫描电镜的沥青砂浆微结构尺度试件，并在试件中间处切出一道预切缝；(3)夹具设计与安装：试件切割完成后，将试件安装于夹具上；然后将夹具套在环境扫描电镜拉伸台上，实现张开型开裂、剪切型开裂、半张开半剪切型开裂模式加载；(4)加载观测：将拉伸台置于扫描电镜内并连接完毕，对试样进行拉伸，在加载过程中对试样的微裂纹及裂缝扩展行为进行实时观测，对力-位移曲线数据进行采集；(5)结果分析：根据试验过程中采集的动态开裂图像和数据，计算得到试样的断裂能、裂缝扩展速率、微裂纹密度，并与未掺纤维的试样测试结果进行对比分析；步骤(3)中，所述夹具包括左L形夹具(5-1)、右L形夹具(5-2),左L形夹具(5-1)、右L形夹具(5-2)长度相同，且形状相同；所述左L形夹具(5-1)上设有一号孔A(1-1)、二号孔A(2-1)、三号孔A(3-1)、四号孔A(4-1)，一号孔A(1-1)、二号孔A(2-1)、三号孔A(3-1)、四号孔A(4-1)位于左L形夹具(5-1)的中心线上，一号孔A(1-1)、二号孔A(2-1)之间的距离与二号孔A(2-1)、三号孔A(3-1)之间的距离相等；一号孔A(1-1)、二号孔A(2-1)与三号孔A(3-1)、四号孔A(4-1)沿左L形夹具(5-1)对称轴呈对称分布；所述左L形夹具(5-1)的内侧设有左粘结区(6-1)，左粘结区(6-1)位于左L形夹具(5-1)设有一号孔A(1-1)、二号孔A(2-1)的一边，且左粘结区(6-1)长度与一号孔A(1-1)中心、二号孔A(2-1)中心之间距离相等；所述右L形夹具(5-2)上设有一号孔B(1-2)、二号孔B(2-2)、三号孔B(3-2)、四号孔B(4-2)，一号孔B(1-2)、二号孔B(2-2)、三号孔B(3-2)、四号孔B(4-2)位于右L形夹具(5-2)的中心线上，一号孔B(1-2)、二号孔B(2-2)之间的距离与二号孔B(2-2)、三号孔B(3-2)之间的距离相等；一号孔B(1-2)、二号孔B(2-2)与三号孔B(3-2)、四号孔B(4-2)沿右L形夹具(5-2)对称轴呈对称分布；所述右L形夹具(5-2)的内侧设有右粘结区(6-2)，右粘结区(6-2)位于右L形夹具(5-2)设有一号孔B(1-2)、二号孔B(2-2)的一边，且右粘结区(6-2)长度与一号孔B(1-2)中心、二号孔B(2-2)中心之间距离相等；步骤(3)中，试件切割完成后，将试件安装于夹具上；具体为：将搅拌均匀的环氧树脂粘结剂涂抹在试件左右两面，分别与左L形夹具(5-1)的左粘结区(6-1)、右L形夹具(5-2)的右粘结区(6-2)粘结，使试样居中处于左粘结区(6-1)、右粘结区(6-2)内，在常温下静置24h，待试件与左L形夹具(5-1)、右L形夹具(5-2)充分粘结固化；当同时选择左L形夹具(5-1)的一号孔A(1-1)、二号孔A(2-1)和右L形夹具(5-2)的一号孔B(1-2)、二号孔B(2-2)与拉伸台相连时，将夹具套在环境扫描电镜拉伸台上，实现张开型开裂；当同时选择左L形夹具(5-1)的三号孔A(3-1)、四号孔A(4-1)和右L形夹具(5-2)的三号孔B(3-2)、四号孔B(4-2)与拉伸台相连时，将夹具套在环境扫描电镜拉伸台上，实现剪切型开裂；当同时选择左L形夹具(5-1)的二号孔A(2-1)、三号孔A(3-1)和右L形夹具(5-2)的二号孔B(2-2)、三号孔B(3-2)与拉伸台相连时，将夹具套在环境扫描电镜拉伸台上，实现半张开半剪切型开裂；
步骤(1)中，沥青砂浆圆柱体试件的直径为150mm，高度100mm。
2.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维增强沥青砂浆原位拉伸断裂试验方法，其特征在于，所述的矿料包括粒径小于2.36mm的细集料和粒径小于0.075mm的矿粉。
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