新型纖維增強(qiáng)瀝青路面的研究_交通

1、新型纖維增強(qiáng)瀝青路面的研究_交通              勞壽命日益增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)道路交通提出了越來(lái)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(guó)所重視。瀝青路面的設(shè)計(jì)大修期為15年，而目前我國(guó)的瀝青路面往往8年10年就需要進(jìn)行檢修。以路面壽命30年計(jì)，資料表明這期間用于道路的維修費(fèi)用幾乎等于新建道路的投資。可見提高公路壽命，延緩檢修期至關(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(guò)復(fù)合材料理論和劈裂試驗(yàn)的比較，確定了含纖維

2、瀝青混凝土的勁度模量；利用損傷理論計(jì)算了已含表面裂縫瀝青路面的疲勞壽命，進(jìn)而探討了新型纖維增強(qiáng)瀝青路面，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(jì)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(huì)顯著地影響復(fù)合材料的韌性和破壞過(guò)程。那么，短纖維究竟如何影響復(fù)合材料的破壞過(guò)程？在這個(gè)過(guò)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(rèn)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(yàn)的基礎(chǔ)上，來(lái)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(guó)內(nèi)外目前使用

3、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?yàn)榉季]纖維與瀝青混凝土的粘結(jié)性好。纖維和瀝青混膡提 （，。）戀牟牧喜問?。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(qiáng)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(qiáng)體。pp2/p1qq2/q1（2）式中p11c2（s1122s2222s22331）（a3a4）（s11112S22111）（a12a2）/3ap2a12（a2a

4、3a4）/3a（3）q11c2/5(2S12121)/2S12120/（10）1/3(2S23231)/2S23230/（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

5、)/8（1V0），s2323(34V0)/8（1v0）s1122s11330，s1212s13131/4（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）6

6、1（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勁度模量隨溫度和纖維含量的變化如圖1。12劈裂試驗(yàn)瀝青混合料的劈裂試驗(yàn)（T071693）是對(duì)規(guī)定尺寸的圓柱體試件，通過(guò)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(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)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(jì)算方法和簡(jiǎn)化公式，計(jì)算其瀝青混合料的劈裂強(qiáng)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(qiáng)度，Pa；E為彈

7、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(duì)應(yīng)的豎向位移，cm。試驗(yàn)和理論計(jì)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 本文新型纖維增強(qiáng)瀝青路面的研究_交通(2)- 時(shí)，復(fù)合材料的理論計(jì)算結(jié)論和劈裂試驗(yàn)的結(jié)果非常接近。而纖維的質(zhì)量含量為03、05時(shí)，復(fù)合材料理論計(jì)算結(jié)果和劈裂試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果卻不是這個(gè)結(jié)論。分析如下：當(dāng)纖維質(zhì)量含量為02時(shí)，纖維對(duì)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

8、量增加到一定程度時(shí)，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(rèn)為，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(jì)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(jì)算簡(jiǎn)單，根據(jù)幾何受力特點(diǎn)，取對(duì)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(biāo)注，路面鋸縫深度為4cm。國(guó)內(nèi)外大量的測(cè)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(jiǎn)化函數(shù)來(lái)模擬路面體的溫度場(chǎng)分布，如多項(xiàng)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

9、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損傷有限元理論損傷理論認(rèn)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(xì)觀損傷仍在不斷演化，并推動(dòng)宏觀缺陷發(fā)展，而宏觀裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中所掃過(guò)的附近區(qū)域，也往往是細(xì)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(lái)模擬裂縫的擴(kuò)展過(guò)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(lái)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(shí)

10、的損傷因子值，本文分析中取c085。經(jīng)過(guò)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是損傷發(fā)生時(shí)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(kuò)展過(guò)程，計(jì)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(kuò)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(gè)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(duì)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(jì)算在溫度場(chǎng)（1

11、5）的循環(huán)作用下，和不含纖維的瀝青路面進(jìn)行比較。沿裂縫擴(kuò)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(jì)算結(jié)提 （，。）果可以看出，隨瀝青面層中纖維含量的增加，裂縫擴(kuò)展越慢。將結(jié)果用三次多項(xiàng)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(shí)，深度為4cm的表面裂縫，在15變溫作用下，擴(kuò)展到整個(gè)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?？梢姡?2的纖維以后，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。圖6沿裂縫擴(kuò)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(guò)復(fù)合材料的理論計(jì)算和劈裂試驗(yàn)的比較，確定了含纖維瀝青混凝土的勁度模量。32通過(guò)對(duì)表面裂縫模型損傷有限

12、元分析，計(jì)算了瀝青路面的疲勞壽命。33纖維的質(zhì)量含量為02時(shí)，能更有效地增加瀝青混合料的勁度模量；通過(guò)有限元計(jì)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(jì)價(jià)值。參考文獻(xiàn)1GPTandonandGJWengAveragestressinthematrixandeffectivemoduliofrandomlyorientedcompositescompositeSciTech27，111132，19862YHZhao，GPTandonandGJWeng，ElastivmoduliforaclassofporousmaterialsActaMechanica76，105130，19893林繡賢路面材料劈裂模量簡(jiǎn)化公式的建議華東公路，1991，64彭妙娟，張登良，夏永旭半剛性基層瀝青路面的斷裂力學(xué)計(jì)算方法及其應(yīng)用中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1998（2）30385吳贛昌半剛性路面的溫度應(yīng)力分析北京：科學(xué)出版社，199