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湖南自考本科论文 新型纤维增强沥青路面的研究

2018-07-19 10:03:21
来源:湖南自考网
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/p1q=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.中国公路学报,1998(2)30~38
[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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