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新型纤维增强沥青路面的研究

时间:2007-1-29栏目:交通运输论文

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、

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