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1、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
2、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，它会显着地影响复合材料 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
3、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) 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；
4、 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 式中 p1＝1＋c［2＋］/3a p2＝［a1－2］/3a q1＝1－c｛2/5[(2S1212－1)/[2S1212＋μ0/]]＋1/3 (2S2323－1)/[2S2323＋μ0/]－1/15a×［ ＋2×＋］｝ q2＝－2/5[2S1212－1/ 2S1212＋μ0/]－1/3 [1/2S2323＋μ0/]＋1/15a×［2＋a4＋a5a）］ s1111＝0， s2211＝s3311＝v0/[2] s2222＝s3333＝(5－4v0)/[8]，s2
5、323＝(3－4v0)/[8] s2233＝S3322＝(4v0－1)/[8]，s2323＝(3－4V0)/[8] s1122＝s1133＝0，s1212＝s1313＝1/4 a1＝6－2＋6k1 a2＝6s1133＋2 a3＝－6s3311－2 a4＝6＋2＋6μ1 a5＝1/［s3322－s3333＋1－μ1/］ a＝6［2S1133s3311－1）］＋2［2S1133＋s3311）＋s1111－ s3322－s3333）］－6k1－6μ1 －6k1μ1 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
6、 沥青混合料的劈裂试验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 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p载荷对应的竖向位移，c
7、m。 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
8、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，
9、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。
10、 断裂区 当ω≥ωc 损伤区 当0＜ω＜ωc 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损伤 模型［6］确定损伤因子： ω＝0 当ε≤ε0 ω＝1－2 当ε＞ε0 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
11、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
12、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 vem
13、od－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．中国公路学报，199830～38 ［5］吴赣昌．半刚性路面的温度应力分析．北京：科学出版社，1995 ［6］余寿文，冯西桥．损伤力学．北京：清华大学出版社，1997
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