新型纤维增强沥青路面的研究

时间:2022-09-01 05:49:00

新型纤维增强沥青路面的研究

摘要:通过复合材料 理论 和劈裂试验的比较,确定了含纤维沥青混

凝土的劲度模量;利用损伤理论 计算 了已含表面裂缝沥青路面的疲劳寿

命,探讨了新型纤维增强沥青路面。

关键词:纤维增强沥青路面;复合材料理论;劈裂试验;损伤力学;疲

劳寿命

日益增长的 经济 建设对道路 交通 提出了越来越高的要求,围绕减少

道路病害,提高道路寿命的 研究 为世界各国所重视。沥青路面的设计大

修期为15年,而 目前 我国的沥青路面往往8年~10年就需要进行检修。

以路面寿命30年计,资料表明这期间用于道路的维修费用几乎等于新建

道路的投资。可见提高公路寿命,延缓检修期至关重要。 影响 公路质量

重要的因素之一是路面损伤,其中最突出的表现为路面裂缝。本文通过

复合材料理论和劈裂试验的比较,确定了含纤维沥青混凝土的劲度模量

;利用损伤理论计算了已含表面裂缝沥青路面的疲劳寿命,进而探讨了

新型纤维增强沥青路面,具有很高的经济价值。

1 含纤维沥青混凝土劲度模量的确定

1.1 复合材料理论与计算

当短纤维加到沥青混凝土中,纤维与纤维、纤维与周围基体之间由

于纤维的不连续性而存在着复杂的相互作用,它会显著地影响复合材料

的韧性和破坏过程。那么,短纤维究竟如何影响复合材料的破坏过程?

在这个过程中,纤维究竟起到加筋作用、还是桥联作用即或是二者兼而

有之?很难判断。因此,本文在认为纤维任意分布在混凝土的前提下,

应用 复合材料理论,在宏观上和试验的基础上,来确定含纤维沥青混凝土的劲度模

量,并探索了纤维含量的最佳值。国内外目前使用的纤维主要有木质素

纤维、芳纶纤维、玻璃纤维。本文使用芳纶纤维,因为芳纶纤维与沥青

混凝土的粘结性好。纤维和沥青混凝土的材料参数见表1。

由复合材料理论知[1,2],纤维任意分布的复合材料的有效体积模量

和剪切模量分别为:

k/k0=1/(1+cp )  μ/μ0=1/(1+cp) (1)

式中 k,k0———分别为复合材料的有效体积模量和基体的体积模量;

μ,μ0———分别为复合材料的有效剪切模量和基体的剪切模量;

c———为增强体积百分含量。纤维沥青混凝土中,沥青混凝土为基体,纤维为增强体。

p=p2/p1 q=q2/q1 (2)

式中

p1=1+c[2(s1122+s2222+s2233-1)(a3+a4)+(s1111+2s2211-1)(a1-2a2)]/3a

p2=[a1-2(a2-a3-a4)]/3a (3)

q1=1-c{2/5[(2s1212-1)/[2s1212+μ0/(μ1-μ0)]]+1/3

(2s2323-1)/[2s2323+μ0/(μ1-μ0)]-1/15a×[(s1122-s2233)

(2a3-a4+a5a)+2(s1111-s2211-1)×(a1+a2)+(s1122-s2222+1)(2a3-a4+a5a)]}

q2=-2/5[2s1212-1/

2s1212+μ0/(μ1-μ0)]-1/3

[1/2s2323+μ0/(μ1-μ0)]+1/15a×[2(a1+a2-a3)+a4+a5a)] (4)

s1111=0, s2211=s3311=v0/[2(1-v0)]

s2222=s3333=(5-4v0)/[8(1-v0)],s2323=(3-4v0)/[8(1-v0)]

s2233=s3322=(4v0-1)/[8(1-v0)],s2323=(3-4v0)/[8(1-v0)]

s1122=s1133=0,s1212=s1313=1/4 (5)

a1=6(k1-k0)(μ1-μ0)(s2222+s2233-1)-2(k0μ1-k1μ0)+6k1(μ-μ0)

a2=6(k1-k0)(μ1-μ0)s1133+2(k0μ1-k1μ0)

a3=-6(k1-k0)(μ1-μ0)s3311-2(k0μ1-k1μ0)

a4=6(k1-k0)(μ1-μ0)(s1111-1)+2(k0μ1-k1μ0)+6μ1(k1-k0)

a5=1/[s3322-s3333+1-μ1/(μ1-μ0)]

a=6(k1-k0)(μ1-μ0)[2s1133s3311-1)(s3322+

s3333-1)]+2(k0μ1-k1μ0)[2s1133+s3311)+s1111-

s3322-s3333)]-6k1(μ1-μ0)(s3333-1)-6μ1(k1-k0)

(s2222+s3322-1)-6k1μ1 (6)

材料参数见表2,根据以上公式得到含

纤维沥青混凝土的劲度模量随温度和纤维含量的变化如图1。

1.2 劈裂试验

沥青混合料的劈裂试验(t0716—93)是对规定尺寸的圆柱体试件,通

过一定宽度的圆弧形压条施加载荷,将试件劈裂直至破坏的试验。试验

时,对试件施加50mm?min的等速载荷,在温度为15℃条件下,按林绣

贤[3]推荐的 计算 方法 和简化公式,计算其沥青混合料的劈裂强度σ

t和(0.1~0.4)p弹性阶段的模量e。弹性模量是应力与总应变的比

值,总应变包括了弹性、粘弹性与粘塑性变形。

σt=0.006151p/h

e=3.588/h×p/y (7)

式中 σt———为劈裂强度,pa;

e———为弹性模量,pa;

p———为最大载荷值,n;

h———为试件高度,cm;

p———为(0.1~0.4)p载荷对应的竖向位移,cm。

试验和 理论 计算结果见表3。

图1 含纤维沥青混凝土劲度模量随温度和纤维含量的变化示意

1.3 结果 分析

从表3的结果可以看出,纤维的质量含量为0.2%时,复合材料的理论

计算结论和劈裂试验的结果非常接近。而纤维的质量含量为0.3%、0

.5%时,复合材料理论计算结果和劈裂试验的结果差别很大。从复合

材料理论上分析,纤维含量越高,复合材料的有效弹性模量应越大,而

试验结果却不是这个结论。分析如下:当纤维质量含量为0.2%时,纤

维对沥青的弹性模量有所改变,又不改变沥青混凝土的粘结力。纤维含

量增加到一定程度时,使沥青混凝土的粘性减弱,即骨料之间的粘结力

减弱,使材料发生松散,从而增加了混合料中的微裂缝,故使材料的弹

性模量降低。因此,本文认为,纤维的质量含量为0.2%是最佳的纤维含量。

2 疲劳寿命的计算与分析

2.1 表面裂缝模型

本文以沈大路沈鞍段的预锯缝工程为例提出表面裂缝模型如图2所示。

为计算简单,根据几何受力特点,取对称结构,按平面应变 问题 处理。

各路面层材料与尺寸见图2-a)中标注,路面锯缝深度为4cm。

国内外大量的测量数据表明,路面结构中的温度变化幅值随着深度逐渐

减小。 研究 者提出不同的简化函数来模拟路面体的温度场分布,如多项

式模拟法[4]、指数函数模拟法[5]等。本文采用指数函数模拟:以

路表面温度发生-10℃变温为例,温度沿深度方向的分布情况如图2-b)所示。

图2 表面裂缝模型示意

图4 表面裂缝局部网格示意

图3 损伤区与断裂区的分布情况示意

2.2 损伤有限元理论

损伤理论认为,材料的破坏是由于损伤的集中化 发展 ,最终形成宏观裂

纹。在宏观裂纹形成以后,细观损伤仍在不断演化,并推动宏观缺陷发

展,而宏观裂纹在扩展过程中所扫过的附近区域,也往往是细观损伤高

度集中的区域如图3所示[6]。本文用损伤区和断裂区来模拟裂缝的扩

展过程,损伤区为图3中的连续损伤区,即承载能力下降的区域,断裂

区为图1中的裂纹,即不再承受载荷的区域,本文用损伤因子ω值的变化范围来划

分损伤区与断裂区的分布。

断裂区

当ω≥ωc

损伤区

当0<ω<ωc (8)

式中 ωc———为材料破坏时的损伤因子值,本文分析中取ωc=0.85。

经过分析比较,本文用sidoroff(西多霍夫)损伤

模型[6]确定损伤因子:

ω=0

当ε≤ε0

ω=1-(ε0/ε )2 当ε>ε0 (9)

式中 ε0———是损伤发生时的应变值。

采用损伤力学的理论, 应用 有限元方法模拟裂缝的扩展过程,计算疲劳

寿命在裂缝尖端的网格必须满足一定的要求,裂尖向外扩散的网格划分

应服从指数衰减 规律 ,以反应出裂缝尖端应力梯度变化规律。本文采用

的有限元网格包含三个不同疏密的区域,如图4所示,裂缝尖端是网格

最密的区域,即断裂区,其次是损伤区,最后是弹性区域。

图5弹性损伤有限元分析流程示意

本文对损伤单元采取退化的刚度阵,每次分析重建总体刚度,其分

析流程如图5所示。

2.3 疲劳寿命的计算在温度场(-15℃)的循环

作用下,和不含纤维的沥青路面进行比较。沿裂缝扩展方向尺寸的改变

量随循环次数的变化曲线如图6所示。从计算结果可以看出,随沥青面

层中纤维含量的增加,裂缝扩展越慢。将结果用三次多项式模拟,可以

得到结论,当纤维质量含量分别为0、0.2%时,深度为4cm的表面裂缝

,在-15℃变温作用下,扩展到整个面层(15cm)所需的循环次数分别

为131次和199次。疲劳寿命提高了34.13%。可见,加0.2%的纤维以

后,具有很高的 经济 价值。

图6 沿裂缝扩展方向的改变量随循环次数和纤维的含量变化示意

3 结论

3.1 本文通过复合材料的 理论 计算 和劈裂试验的比较,

确定了含纤维沥青混凝土的劲度模量。

3.2 通过对表面裂缝模型损伤有限元 分析 ,计算了沥青路面的疲劳寿命。

3.3 纤维的质量含量为0.2%时,能更有效地增加沥青混合料的劲度模量;通

过有限元计算,得到了纤维质量含量为0.2%和不含纤维的沥青路面比

较,疲劳寿命提高了34.13%。具有很高的经济价值。

参考 文献

[1]g.p.tandonandg.j.weng.averagestressinthematrixandeffecti

vemod-uliofrandomlyorientedcomposites.compositesci.tech.27,111~132,1986

[2]y.h.zhao,g.p.tandonandg.j.weng,elastivmoduliforaclassofpo-rousmaterials.

actamechanica76,105~130,1989

[3]林绣贤.路面材料劈裂模量简化公式的建议.华东公路,1991,6

[4]彭妙娟,张登良,夏永旭.半刚性基层沥青路面的断裂力学计算 方法 及其 应用 .

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