新型纖維增強瀝青路面的研究

1、新型纖維增強瀝青路面的研究    日益增長的經(jīng)濟建設(shè)對道路交通提出了越來越高的要求，圍繞減少道路病害，提高道路壽命的研究為世界各國所重視。瀝青路面的設(shè)計大修期為15年，而目前我國的瀝青路面往往8年10年就需要進行檢修。以路面壽命30年計，資料表明這期間用于道路的維修費用幾乎等于新建道路的投資?？梢娞岣吖穳勖泳彊z修期至關(guān)重要。影響公路質(zhì)量重要的因素之一是路面損傷，其中最突出的表現(xiàn)為路面裂縫。本文通過復(fù)合材料理論和劈裂試驗的比較，確定了含纖維瀝青混凝土的勁度模量；利用損傷理論計算了已含表面裂縫瀝青路面的疲勞壽命，進而探討了新型纖維增強瀝青路面，具有很高

2、的經(jīng)濟價值。1含纖維瀝青混凝土勁度模量的確定11復(fù)合材料理論與計算當(dāng)短纖維加到瀝青混凝土中，纖維與纖維、纖維與周圍基體之間由于纖維的不連續(xù)性而存在著復(fù)雜的相互作用，它會顯著地影響復(fù)合材料的韌性和破壞過程。那么，短纖維究竟如何影響復(fù)合材料的破壞過程？在這個過程中，纖維究竟起到加筋作用、還是橋聯(lián)作用即或是二者兼而有之？很難判斷。因此，本文在認為纖維任意分布在混凝土的前提下，應(yīng)用復(fù)合材料理論，在宏觀上和試驗的基礎(chǔ)上，來確定含纖維瀝青混凝土的勁度模量，并探索了纖維含量的最佳值。國內(nèi)外目前使用的纖維主要有木質(zhì)素纖維、芳綸纖維、玻璃纖維。本文使用芳綸纖維，因為芳綸纖維與瀝青混凝土的粘結(jié)性好。纖維和瀝青混凝

3、土的材料參數(shù)見表1。由復(fù)合材料理論知1，2，纖維任意分布的復(fù)合材料的有效體積模量和剪切模量分別為：k/k01/(1cp) /01/(1cp) （1）式中k，k0分別為復(fù)合材料的有效體積模量和基體的體積模量；，0分別為復(fù)合材料的有效剪切模量和基體的剪切模量；c為增強體積百分含量。纖維瀝青混凝土中，瀝青混凝土為基體，纖維為增強體。pp2/p1qq2/q1 （2）式中p11c2（s1122s2222s22331）（a3a4）（s11112S22111）（a12a2）/3ap2a12（a2a3a4）/3a （3）q11c2/5(2S12121)/2S12120/（10）1/3(2S23231)/2S2

4、3230/（10）1/15a×（s1122s2233）（2a3a4a5a）2（s1111s22111）×（a1a2）（s1122s22221）（2a3a4a5a）q22/52S12121/2S12120/（10）1/31/2S23230/（10）1/15a×2（a1a2a3）a4a5a） （4）s11110，s2211s3311v0/2（1v0）s2222s3333(54v0)/8（1v0），s2323(34v0)/8（1v0）s2233S3322(4v01)/8（1V0），s2323(34V0)/8（1v0）s1122s11330，s1212s13131/4 （

5、5）a16（k1k0）（10）（s2222s22331）2（k01k10）6k1（0）a26（k1k0）（10）s11332（k01k10）a36（k1k0）（10）s33112（k01k10）a46（k1k0）（10）（s11111）2（k01k10）61（k1k0）a51/s3322s333311/（10）a6（k1k0）（10）2S1133s33111）（s3322s33331）2（k01k10）2S1133s3311）s1111s3322s3333）6k1（10）（s33331）61（k1k0）（s2222s33221）6k11 （6）材料參數(shù)見表2，根據(jù)以上公式得到含纖維瀝青混凝土的

6、勁度模量隨溫度和纖維含量的變化如圖1。12劈裂試驗瀝青混合料的劈裂試驗（T071693）是對規(guī)定尺寸的圓柱體試件，通過一定寬度的圓弧形壓條施加載荷，將試件劈裂直至破壞的試驗。試驗時，對試件施加50mm?min的等速載荷，在溫度為15條件下，按林繡賢3推薦的計算方法和簡化公式，計算其瀝青混合料的劈裂強度T和（0104）P彈性階段的模量E。彈性模量是應(yīng)力與總應(yīng)變的比值，總應(yīng)變包括了彈性、粘彈性與粘塑性變形。T0006151p/hE3588/h×p/y （7）式中T為劈裂強度，Pa；E為彈性模量，Pa；p為最大載荷值，N；h為試件高度，cm；p為（0104）p載荷對應(yīng)的豎向位移，cm。試驗

7、和理論計算結(jié)果見表3。圖1含纖維瀝青混凝土勁度模量隨溫度和纖維含量的變化示意13結(jié)果分析從表3的結(jié)果可以看出，纖維的質(zhì)量含量為02時，復(fù)合材料的理論計算結(jié)論和劈裂試驗的結(jié)果非常接近。而纖維的質(zhì)量含量為03、05時，復(fù)合材料理論計算結(jié)果和劈裂試驗的結(jié)果差別很大。從復(fù)合材料理論上分析，纖維含量越高，復(fù)合材料的有效彈性模量應(yīng)越大，而試驗結(jié)果卻不是這個結(jié)論。分析如下：當(dāng)纖維質(zhì)量含量為02時，纖維對瀝青的彈性模量有所改變，又不改變?yōu)r青混凝土的粘結(jié)力。纖維含量增加到一定程度時，使瀝青混凝土的粘性減弱，即骨料之間的粘結(jié)力減弱，使材料發(fā)生松散，從而增加了混合料中的微裂縫，故使材料的彈性模量降低。因此，本文認為

8、，纖維的質(zhì)量含量為02是最佳的纖維含量。2疲勞壽命的計算與分析21表面裂縫模型本文以沈大路沈鞍段的預(yù)鋸縫工程為例提出表面裂縫模型如圖2所示。為計算簡單，根據(jù)幾何受力特點，取對稱結(jié)構(gòu)，按平面應(yīng)變問題處理。各路面層材料與尺寸見圖2a）中標注，路面鋸縫深度為4cm。國內(nèi)外大量的測量數(shù)據(jù)表明，路面結(jié)構(gòu)中的溫度變化幅值隨著深度逐漸減小。研究者提出不同的簡化函數(shù)來模擬路面體的溫度場分布，如多項式模擬法4、指數(shù)函數(shù)模擬法5等。本文采用指數(shù)函數(shù)模擬：以路表面溫度發(fā)生10變溫為例，溫度沿深度方向的分布情況如圖2b）所示。圖2表面裂縫模型示意圖4表面裂縫局部網(wǎng)格示意圖3損傷區(qū)與斷裂區(qū)的分布情況示意22損傷有限元理

9、論損傷理論認為，材料的破壞是由于損傷的集中化發(fā)展，最終形成宏觀裂紋。在宏觀裂紋形成以后，細觀損傷仍在不斷演化，并推動宏觀缺陷發(fā)展，而宏觀裂紋在擴展過程中所掃過的附近區(qū)域，也往往是細觀損傷高度集中的區(qū)域如圖3所示6。本文用損傷區(qū)和斷裂區(qū)來模擬裂縫的擴展過程，損傷區(qū)為圖3中的連續(xù)損傷區(qū)，即承載能力下降的區(qū)域，斷裂區(qū)為圖1中的裂紋，即不再承受載荷的區(qū)域，本文用損傷因子值的變化范圍來劃分損傷區(qū)與斷裂區(qū)的分布。斷裂區(qū)當(dāng)c損傷區(qū)當(dāng)0c （8）式中c為材料破壞時的損傷因子值，本文分析中取c085。經(jīng)過分析比較，本文用Sidoroff（西多霍夫）損傷模型6確定損傷因子：0當(dāng)01（0/）2當(dāng)0 （9）式中0是損

10、傷發(fā)生時的應(yīng)變值。采用損傷力學(xué)的理論，應(yīng)用有限元方法模擬裂縫的擴展過程，計算疲勞壽命在裂縫尖端的網(wǎng)格必須滿足一定的要求，裂尖向外擴散的網(wǎng)格劃分應(yīng)服從指數(shù)衰減規(guī)律，以反應(yīng)出裂縫尖端應(yīng)力梯度變化規(guī)律。本文采用的有限元網(wǎng)格包含三個不同疏密的區(qū)域，如圖4所示，裂縫尖端是網(wǎng)格最密的區(qū)域，即斷裂區(qū)，其次是損傷區(qū)，最后是彈性區(qū)域。圖5彈性損傷有限元分析流程示意本文對損傷單元采取退化的剛度陣，每次分析重建總體剛度，其分析流程如圖5所示。23疲勞壽命的計算在溫度場（15）的循環(huán)作用下，和不含纖維的瀝青路面進行比較。沿裂縫擴展方向尺寸的改變量隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖6所示。從計算結(jié)果可以看出，隨瀝青面層中纖維含量

11、的增加，裂縫擴展越慢。將結(jié)果用三次多項式模擬，可以得到結(jié)論，當(dāng)纖維質(zhì)量含量分別為0、02時，深度為4cm的表面裂縫，在15變溫作用下，擴展到整個面層（15cm）所需的循環(huán)次數(shù)分別為131次和199次。疲勞壽命提高了3413。可見，加02的纖維以后，具有很高的經(jīng)濟價值。圖6沿裂縫擴展方向的改變量隨循環(huán)次數(shù)和纖維的含量變化示意3結(jié)論31本文通過復(fù)合材料的理論計算和劈裂試驗的比較，確定了含纖維瀝青混凝土的勁度模量。32通過對表面裂縫模型損傷有限元分析，計算了瀝青路面的疲勞壽命。33纖維的質(zhì)量含量為02時，能更有效地增加瀝青混合料的勁度模量；通過有限元計算，得到了纖維質(zhì)量含量為02和不含纖維的瀝青路面比較，疲勞壽命提高了3413。具有很高的經(jīng)濟價值。參考文獻1GPTandonandGJWengAveragestressinthematrixandeffectivemoduliofrandomlyorientedcompositescompositeSciTech27，111132，19862YHZhao，GPTandonandGJWeng，ElastivmoduliforaclassofporousmaterialsActaMechanica76，105130，19893林繡賢路面材料劈裂模量簡化