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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拟，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外表裂缝沥青路面的疲劳寿命，讨论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立对道路交通提出了越来越高的要求，围绕减少道路病害，进步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年就需要进展检修。以路面寿命30年计，资料说明这期间用于道路的维修费用几乎等于新建道路的投资。可见进步公路寿命，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
2、路面裂缝。本文通过复合材料理论和劈裂试验的比拟，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外表裂缝沥青路面的疲劳寿命，进而讨论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确实定11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互相作用，它会显著地影响复合材料的韧性和破坏过程。那么，短纤维终究如何影响复合材料的破坏过程？在这个过程中，纤维终究起到加筋作用、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，在宏观上和试验的根底上，来确定含纤维沥
3、青混凝土的劲度模量，并探究了纤维含量的最正确值。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/k01/(1p)/01/(1p)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；，0分别为复合材料的有效剪切模量和基体的剪切模量；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。pp2/p1qq2/q12式中p112s1122s2222s22331a3a4s11112S22111a12a2
4、/3ap2a12a2a3a4/3a3q112/5(2S12121)/2S12120/101/3(2S23231)/2S23230/101/15as1122s22332a3a4a5a2s1111s22111a1a2s1122s222212a3a4a5aq22/52S12121/2S12120/101/31/2S23230/101/15a2a1a2a3a4a5a4s11110，s2211s3311v0/21v0s2222s3333(54v0)/81v0，s2323(34v0)/81v0s2233S3322(4v01)/81V0，s2323(34V0)/81v0s1122s11330，s1212s1
5、3131/45a16k1k010s2222s223312k01k106k10a26k1k010s11332k01k10a36k1k010s33112k01k10a46k1k010s111112k01k1061k1k0a51/s3322s333311/10a6k1k0102S1133s33111s3322s333312k01k102S1133s3311s1111s3322s33336k110s3333161k1k0s2222s332216k116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。12劈裂试验沥青混合料的劈裂试验T071693是对规定尺寸的圆柱
6、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50?in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T和0104P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。T0006151p/hE3588/hp/y7式中T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，；p为0104p载荷对应的竖向位移，。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13结果分析从表3的结果可以看出，纤维的质量含量为02时，复合材料的理
7、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03、05时，复合材料理论计算结果和劈裂试验的结果差异很大。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02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02是最正确的纤维含量。2疲劳寿命的计算与分析21外表裂缝模型本文以沈大路沈鞍段的预锯缝工程为例提出外表裂缝模型如图2所示。为计
8、算简单，根据几何受力特点，取对称构造，按平面应变问题处理。各路面层材料与尺寸见图2a中标注，路面锯缝深度为4。国内外大量的测量数据说明，路面构造中的温度变化幅值随着深度逐渐减校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：以路外表温度发生10变温为例，温度沿深度方向的分布情况如图2b所示。图2外表裂缝模型示意图4外表裂缝部分网格示意图3损伤区与断裂区的分布情况示意22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开展，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，并推动宏观缺陷开展，而宏观裂纹在扩展过程中所
9、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，即承载才能下降的区域，断裂区为图1中的裂纹，即不再承受载荷的区域，本文用损伤因子值的变化范围来划分损伤区与断裂区的分布。断裂区当损伤区当08式中为材料破坏时的损伤因子值，本文分析中取085。经过分析比拟，本文用Sidrff西多霍夫损伤模型6确定损伤因子：0当010/2当09式中0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，以反响出裂缝尖端应力梯度
10、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。23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展比拟。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、02时，深度为4的外表裂缝，在15变温作用下，扩展到整个面层15所需的循环次数分别为131次和199次。疲
11、劳寿命进步了3413。可见，加02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31本文通过复合材料的理论计算和劈裂试验的比拟，确定了含纤维沥青混凝土的劲度模量。32通过对外表裂缝模型损伤有限元分析，计算了沥青路面的疲劳寿命。33纤维的质量含量为02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02和不含纤维的沥青路面比拟，疲劳寿命进步了3413。具有很高的经济价值。参考文献1GPTandnandGJengAveragestressintheatrixandeffetivedulifrandlyrientedpsitespsiteSiTeh27，111132，19862YHZha，GPTandnandGJeng，ElastivdulifralassfprusaterialsAtaehania76，105130，19893林绣贤路面材料劈裂模量简化公式的建议华东公路，1991，64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，1998230385吴赣昌半刚性路面的温度应力分析北京：科学出版社，19956余寿文，冯西桥损伤力学北京：清华大学出版社，1997
