（道路与铁道工程专业论文）纤维沥青混凝土加筋稳定性能研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o l i i iii ii i1 1 1 1 ii i i l y 18 11 4 7 0 保密- k 2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h y s t u d y o f r e i n f o r c i n g a n d s t a b i l i z i n g p e r f o r m a n c eo f f i b e rm o di f i e d a s p h a l t c o n c r e t e s c h o o l ：s c h o o lo ft r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g m a j o r ：r o a da n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：j u nz h a n g s u p e r v i s o r ：p r o f m i n gx u e m a r c h ，2 0 0 8 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：引良 舻年夕月加日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 拯彳良 舢沪多月知日 随着我国经济的快速发展，交通荷载和交通量不断增大，对沥青路面提出 了更高的要求。目前，纤维作为沥青混凝土加筋稳定剂广泛用于沥青混合料中， 成为了增强沥青混凝土性能的新手段，但是由于工程人员对纤维沥青混凝土的 认识仍然不够准确，对纤维添加剂的选择和使用缺乏指导和规范。本文旨在结 合纤维沥青混合料的性能试验，依据线弹性断裂力学理论，为工程中纤维的选 择提供了指导和原则。 本文通过马歇尔试验、车辙试验、冻融劈裂试验、低温小梁弯曲试验、肯 塔堡飞散试验、劈裂疲劳试验等试验方法，分别对不同掺量的聚酯纤维沥青混 凝土、不同长度的聚酯纤维沥青混凝土、不同种类的纤维沥青混凝土进行了高 温稳定性、水稳定性、低温抗裂性、疲劳等性能做了对比研究；从能量法角度 引入了弯曲应变能密度临界值对纤维沥青混凝土的抗裂性能进行深入的分析； 通过纤维沥青混凝土的各种性能对比对纤维进行了掺量和长度优化设计。研究 发现，室内试验的拌和条件下，综合考虑纤维沥青混凝土的性能，本研究中采 用的6 姗聚酯纤维的最佳掺量在0 2 0 - - 0 2 5 为宜；在0 2 5 的掺量下，1 2 姗 的聚酯纤维沥青混凝土性能要优于6 姗和1 9 舳聚酯纤维；玄武岩纤维和掺量仅 为0 0 4 5 的福塔纤维都表现出较好的性能；改善拌和条件提高纤维在沥青混凝 土中的均匀性是提高纤维沥青混凝土性能的有效途径。 二维宏微观结合模型的线弹性断裂力学分析表明，纤维能有效的i 型应力 强度因子，提高沥青混凝土的抗裂能力；在工程中尽量选择表面粗糙、与沥青 结合较好的纤维；同时，工程中选择较长的纤维是增强纤维沥青混凝土抗裂能 力的有效的手段；改善拌和条件，提高纤维在沥青混凝土中的分布率、均匀性 是提高纤维抗裂性能的另外途径。 关键词：纤维沥青混合料加筋稳定性能掺量优化长度优化断裂力学 t h i sp a p e rh a sm a d et h o r o u g hr e s e a r c ho nf i b e r sm o d i f i e da s p h a l tc o n c r e t e u n d e rd i f f e r e n tf i b e r sc o n t e n t , d i f f e r e n tf i b e r sl e n g t ha n dd i f f e r e n tk i n d so ff i b e r s i t a n a l y z e st h ea n t i c r a c kp e r f o r m a n c eu s i n gt h ec u r v a t u r es t r a i ne n e r g yd e n s i t yc r i t i c a l v a l u ei nt h ea n g l eo fe n e r g ym e t h o d i ta l s oo p t i m i z e st h ef i b e r sc o n t e n ta n dt h ef i b e r s l e n g t ha r e rt h o r o u g hr e s e a r c h t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e st h a tu n d e rt h el a b o r a t o r y m i ) ( i n gc o n d i t i o n , t h ec o n t e n to f t h ep o l y e s t e rf i b e r su s e di nt h et e s ts h o u l db ea tt h e r a n g eo f0 2 0 a n d0 2 5 a n dt h ep e r f o r m a n c eo f12 m mp o l y e s t e r sf i b e r sm o d i f i e d a s p h a l tc o n c r e t ei s b e t t e rt h a nt h a to f6 m ma n d19 m mw i t ht h ec o n t e n to f0 2 5 b a s a l tf i b e r sa n df o r t a f i b e r sa l s oh a v eg o o dp e r f o r m a n c e s m e l i o r a t i n gt h e m i x i n gc o n d i t i o nt oe n h a n c et h ee q u a l i t ye x t e n to ft h ef i b e ri nt h ea s p h a l tm i x t u r e si s a ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l tc o n c r e t e t h et w o - d i m e n s i o n a ll i n e re l a s t i ce r a km e c h a n i c sm o d e li n d i c a t e st h a tf i b e r s c a nd e c r e a s et h ev a l u eo ft h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o rs oa st oi m p r o v et h ec r a c k r e s i s t i n gc a p a b i l i t yo ft h ec o n c r e t t h e r e f o r e ，w es h o u l dc h o o s ef i b e r sw h i c hc a n b e t t e rc o m b i n e 、析t 1 1t h ea s p h a l t e n h a n c i n gt h ee q u a l i t ye x t e n ti sa ne f f e c t i v ew a yt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ea s p h a l tc o n c r e t e k e yw o r d s ：f i b e rm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e s ，r e i n f o r c i n g a n d s t a b i l i z i n g p e r f o r m a n c e ，o p t i m i z a t i o no fc o n t e n t ，o p t i m i z a t i o no fl e n g t h , f r a c t u r em e c h a n i c s 第1 章绪论1 1 1 研究背景及研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 研究内容4 1 4 研究方案和技术路线5 第2 章纤维沥青混凝土机理研究7 2 1 复合材料理论8 2 1 1 复合材料的弹性模量8 2 1 2 复合材料的强度8 2 1 3 复合材料的韧性、抗裂能力的细观力学行为9 2 2 断裂力学1 0 2 3 沥青混凝土柔性路面对纤维的技术要求1 1 2 4 本章小结1 2 第3 章试验材料及试验方案1 3 3 1 试验材料1 3 3 1 - 1 沥青1 3 3 1 2 集料1 3 3 1 3 混合料级配组成1 4 3 1 4 纤维1 5 3 2 试验方案及方法1 7 3 2 1 纤维沥青混合料拌和温度1 7 3 2 2 纤维沥青混合料拌和工艺1 7 3 2 3 沥青混合料试验方案及方法1 9 3 3 本章小结2 2 第4 章聚酯纤维沥青混凝土性能研究2 4 5 4 本章小结5 6 第6 章基于线弹性断裂力学的纤维抗裂性能的进一步讨论5 8 6 1 计算理论依据5 8 6 2 简化的二维宏微观结合模型5 9 6 2 有限元建模6 0 6 2 i 建立理想化模型6 0 6 2 2 有限元划分网格6 0 6 3 应力强度因子的影响性分析6 1 6 3 i 纤维阻滞力对k i 的影响6 1 6 3 2 区宽度对k i 的影响6 2 6 4 本章小结6 3 第7 章结论与展望6 4 7 1 主要研究结论6 4 7 2 展望6 5 参考文献6 6 n ， a 20 2 5 掺量不同纤维长度沥青混凝土最佳沥青用量7 3 a 30 2 5 掺量不同纤维种类的沥青混凝土的最佳沥青用量7 6 致谢7 9 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 0 u i 第1 章绪论 1 1 研究背景及研究意义 第1 章绪论 我国在8 0 年代改革开放以来，我国公路建设发展迅猛。1 9 8 8 年，我国实现 高速公路零的突破；2 0 0 4 年，已突破3 万公里，高速公路总里程位居世界第- - 2 0 0 5 年底，高速公路总里程达4 1 万公里，中国公路总里程达1 9 2 万公里。“两 纵两横三个重要路段 全部建成，山东、广东两省公路突破3 0 0 0 公里，江苏、 河南、河北三省高速公路突破2 0 0 0 公里，有1 4 个省区高速公路突破1 0 0 0 公里。 在己通车的高速公路中，沥青路面占8 0 以上。 沥青路面开裂是世界各国沥青路面使用中均会遇到的主要病害之一，其分 布十分普遍，无论是冰冻地区还是非冰冻地区，只是各自的裂缝严重程度不同 而已。路面产生裂缝以后，水会渗入到路面和路基中，加速了路面和路基的结 构破坏，减弱了其整体结构强度。近几年来，沥青路面裂缝问题尤为突出，这 是因为一方面，由于高等级公路中约有9 5 采用了半刚性基层沥青路面，使得 沥青路面在早期出现了比柔性基层沥青混凝土路面更多而频繁的裂缝；一方面 由于公路建设过程中出现了交通量增大、轴重增加等新问题，使得路面裂缝这 一病害问题更为突出。因此提高沥青路面的耐久性、高强度和稳定性，减缓路 面裂缝的发生显得十分重要和迫切。怎样改善沥青路面的质量，减少沥青路面 的车辙、坑槽、裂缝，延长沥青路面的检修周期，提高投资经济效益是道路管 理部门和投资者面临的重要课题。而提高沥青路面的使用性能，要从优化路面 结构体系、提高表面层的品质、合理使用材料和提高施工作业水平等几个方面 寻求解决办法。 根据沥青路面开裂的主要原因，裂缝主要分为以下两大类：荷载型裂缝和 非荷载型裂缝。荷载型路面裂缝主要是由于交通荷载作用下产生的疲劳裂缝： 非荷载型裂缝主要是温度型裂缝。沥青路面的温缩型开裂主要包括低温收缩开 裂与温度疲劳开裂。 对于面层材料抗裂性能国内外做个很多的研究，目前主要采用聚合物改性 沥青，增加沥青混合料的韧性但1 。借鉴5 0 年代高抗拉强度、高模量新型增强纤 第1 章绪论 维应用于水泥混凝土结构及轻型结构的成功经验，在沥青混合料中掺加纤维增 强材料成为了增强沥青混凝土性能的新手段 3 。用于纤维混凝土复合材料的纤 维，其阻裂、增强和增韧作用主要取决于纤维本身的力学性能、纤维与基体的 粘结性能以及纤维的数量和在基体中的分布情况。纤维根据其弹性模量的大小 分二大类，纤维弹性模量小于基体弹性模量的有：纤维素纤维、聚丙烯纤维、 聚丙烯腈纤维等；纤维弹性模量高于基体弹性模量的有：石棉纤维、玻璃纤维、 钢纤维、碳纤维、芳纶纤维等。纤维纵横交错，均匀地与沥青粘合在一起，为 沥青混凝土提供强大的内聚力。纤维沥青混合料的除了能够增加混合料的韧性 外，另外还有加筋和稳定的作用，能延缓路面裂缝的发展。因此，纤维沥青混 凝土常被成为纤维加筋沥青混凝土或者纤维稳定沥青混凝土。 国内虽然在公路中广泛应用纤维沥青混凝土，但是对纤维沥青混凝土的认 识仍然不够准确，缺乏指导。本研究主要是通过纤维沥青混合料的性能研究， 结合以往前人的研究成果，对纤维稳定沥青混凝土的各影响因素进行分析，进 一步研究纤维稳定沥青混凝土的机理，为纤维沥青混凝土的应用提供合理的指 导就显得尤为具有意义。 1 2 国内外研究现状 纤维增强材料在沥青混合料中的使用最初目的是用于预防路面的反射裂 缝，国内外学者也进行了大量的研究工作瞳3 一 6 。 1 9 6 0 年，加拿大多伦多大学的d a v i s ，n m 发表了 1 5 0 沥青密度( 2 5 ) 1 0 3 3 1 2 集料 石料采用了上海场道公司提供的石灰岩，石灰岩矿粉。 集料的密度按照公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 - 2 0 0 5 ) 口7 1 的要求测定， 其中粗集料的密度采用网篮法测定，细集料的密度采用容量瓶法测定。 集料的密度见表3 2 ： 第3 章试验材料及试验方案 表3 2 各档集料的密度测试结果 粒径1 3 29 54 7 52 3 61 1 80 6o 3o 1 50 0 7 5 劲度模量( 肝a ) ( 肝a )( 1 0 1 ) l1 1 9 5 4 0 6 41 0 43 1 3 2 83 3 1 6 4 2 1 2 9 8 70 7 51 0 42 7 0 3 23 8 4 9 3 3 1 0 6 5 10 5 98 02 5 7 4 4 3 1 0 6 7 41 2 7 2 00 6 4 1 0 23 1 0 5 03 2 7 2 3 51 1 0 9 6o 5 7 9 83 3 2 3 72 9 4 2 1 69 3 9 80 6 2 7 52 3 7 8 43 1 6 6 0 平均 |9 42 8 6 9 63 2 7 5 5 表4 7 掺0 2 5 纤维沥青混凝土低温小梁弯曲试验结果 抗弯拉强度 破坏应变 试件编号 最大荷载( n )跨中挠度( 叫)劲度模量( m p a ) ( 肝a ) ( 1 0 1 ) l1 0 9 7 6o 9 l 8 81 8 2 9 64 8 0 9 5 28 4 5 0o 5 8 6 72 2 0 4 23 0 2 8 5 39 2 6 6 0 6 57 22 1 0 5 63 4 1 7 5 41 2 0 7 2 1 2 38 51 3 0 4 16 4 9 6 1 5 1 1 0 6 50 7 58 62 1 8 9 53 9 4 4 1 6 1 0 7 6 91 0 98 41 4 4 7 65 7 9 6 2 平均 |8 11 8 4 6 84 5 8 2 0 第4 章聚酯纤维沥青混凝土性能研究 表4 8 掺0 3 5 纤维沥青混凝土低温小梁弯曲试验结果 抗弯拉强度破坏应变 试件编号最大荷载( n )跨中挠度( n l r a )劲度模量( 胛a ) ( 1 l p a )( 1 0 - 。) l1 0 4 0 70 8 57 42 9 3 6 72 5 1 5 7 21 0 7 8 40 78 53 3 0 4 32 5 7 6 3 38 7 5 10 9 86 73 1 2 0 42 1 6 0 6 41 2 7 1 1o 8 21 0 03 0 8 3 53 2 2 7 5 58 6 3 91 3 l6 72 6 8 4 42 5 0 9 7 69 1 0 50 9 97 12 6 7 1 92 6 5 1 1 平均 |7 72 9 6 6 9 2 6 0 6 8 表4 9 不同掺量纤维沥青混凝土低温小梁弯曲试验分析汇总 纤维掺量( )抗弯拉强度( m p a )破坏应变( 1 0 1 )劲度模量( m p a ) 0 8 3 3 9 9 7 2 2 4 8 2 3 0 1 59 43 2 7 5 52 8 6 9 6 0 2 58 14 5 8 2 01 8 4 6 8 o 3 57 72 6 0 6 82 9 6 6 9 图4 5 纤维掺量与抗弯拉强度关系 从图4 5 可以看出，随着纤维掺量的增加，纤维沥青混凝土的抗弯拉强度 随着纤维掺量的增加先增大后减小，在0 1 5 掺量时候出现了一个峰值，可以近 似看作是抗弯拉强度的最佳掺量。在纤维掺量为0 1 5 时，纤维沥青混凝土的抗 弯拉强度比不掺纤维的沥青混凝土提高了1 3 3 ；在纤维掺量为0 2 5 时，纤 3 0 第4 章聚酯纤维沥青混凝土性能研究 维沥青混凝土的抗弯拉强度基本和不掺的沥青混凝土相当；在纤维掺量为o 3 5 时，纤维沥青混凝土的抗弯拉强度反而降低了7 2 。其抗弯拉强度的规律与 马歇尔稳定度变化规律相当。 图4 6 纤维掺量与弯曲劲度模量关系 而从图4 6 看到，纤维的弯曲劲度模量随着纤维掺量的增加，先增大后减 小，然后再次增大。这是因为，在纤维掺量为0 3 5 时，纤维无法在沥青混凝土 中分散均匀，在沥青混凝土中出现了结团的现象。这些结团的地方成为了强度 的薄弱点，由此带来了纤维沥青混凝土的抗弯拉强度的降低，同时由于纤维的 结团，在这些地方成为强度的薄弱点，在荷载作用下更易突然断裂，因此应变 值更低。0 3 5 时纤维沥青混凝土的弯曲劲度模量提高，是因为虽然抗弯拉强度 降低，但是其应变却更小；弯曲劲度模量是抗弯拉强度与试件破坏时的应变的 商值，因此当应变值减少的比抗弯拉强度更多时，弯曲劲度模量反而会增大。 从此可以看出，弯曲劲度模量不是评价聚酯纤维沥青混凝土低温抗裂性能的最 合理的方法。下面引入弯曲应变能用能量法来分析纤维沥青混凝土的低温抗裂 性能。 ( 2 ) 弯曲应变能临界值伽 低温下沥青混合料可看作弹性材料，其破坏过程是一个能量耗散的过程。 外力对材料所作的功可以转化如下形式的能量：作为弹性应变能被储存；裂缝 发生、发展产生新表面时转化为表面能。一般情况下，沥青混合料储存的弹性 第4 章聚酯纤维沥青混凝土性能研究 应变能越多，低温抗裂性能越好。 根据损伤准则，材料损伤过程包括裂缝的引发、亚临界状态增大和最后终 止3 个阶段，这3 个阶段在宏观上均可观察到。假定材料破坏形式与单位体积 内能量状态相对应，那么材料损伤就可以用应变能密度函数芳= f 。 ，de f 式 中，婴为应变能密度函数；。 ， | 分别为应力、应变分量；e 。为最大应力所 口y 对应的应变值( 以下简称临界应变) 。皇等的临界值是断裂时实际单轴应力应变 口y 关系曲线下的面积( 如图4 7 ) ，可以通过试验来测定。 0 e 0 图4 7 弯曲应变能密度函数 在沥青混合料低温弯曲试验过程中，应力应变曲线图上，应力达到最大值 以前，曲线下方的包络面积( 图4 7 中的阴影部分面积) ，即为沥青混合料的弯 曲应变能密度的临界值芳= 工。盯d e 。 通过灰关联分析，葛折圣，黄晓明等提出 3 1 p 对混合料应变能密度临界值 的影响程度由大到小的次序为：临界弯拉应变一弯拉强度。 从研究中我们发现，纤维沥青混凝土低温小梁弯曲试验的应力一应变曲线 明显成多项式曲线关系。本研究中的大量试验表明，沥青混合料试件的。一e 曲 线用3 次多项式进行回归时，相关系数均大于0 9 9 5 。为了保证分析的精度能满 足要求，保证分析的科学性和合理性，对于相关系数不满足的函数，本研究中 采用分段函数分别拟合，其精度要求都能满足要求。所以，研究中采用3 次多 3 2 第4 章聚酯纤维沥青混凝土性能研究 项式y = a x 3 + 搬2 + 饼+ d 对。一曲线进行拟合。 然后，从试验中读取最大破坏荷载所对应的应变占。，由0 到岛对拟合后的 三项式积分，则可以得到弯曲应变能临界值，即改沥青混合料的弯曲应变能临 界值为： 芳= f 。y d x = f ( 小b x 2 + 铝+ d ) d x ( 4 17 对低温小梁弯曲试验的结果进行多项式拟合，积分后得到应变能密度临界 值如下表： 表4 1 0 各纤维掺量沥青混合料低温小梁弯曲应变能密度临界值计算 纤维掺量( )试件编号应变能密度临界值( k p a )均值( k p a ) 应变能比( ) l1 2 2 2 29 2 9 31 4 5 8 1 3 5 0 o 4 9 2 5 l o o 52 2 1 7 l1 6 1 1 22 2 6 1 31 4 1 2 4 1 8 8 0 1 6 5 51 2 2 6 o 1 5 5 1 4 6 5 61 2 9 9 l1 9 8 2 21 0 4 7 31 2 9 4 4 2 6 9 0 1 8 9 21 4 0 1 o 2 5 51 7 7 0 62 5 6 7 l9 7 7 21 1 4 4 37 6 l 41 5 7 9 1 0 7 97 9 9 o 3 5 59 6 9 61 0 4 1 3 3 第4 章聚酯纤维沥青混凝土性能研究 图4 8 纤维掺量与应变能临界值的关系 从图4 8 可以看出，随着纤维掺量的增加，应变能临界值也是先增大后减 小。但是，与抗弯拉强度所不同的是，应变能临界值最大值出现在0 2 5 ，而 抗弯拉强度的最大值出现在0 1 5 。应变能临界值的结果与浸水马歇尔稳定度、 冻融劈裂以及下文中飞散试验的结果一致，并且未出现劲度模量让人无法判断 不同纤维掺量下哪个掺量更优的结果。 由于沥青混合料的应变能密度临界值指标是沥青混合料临界弯拉应变和弯 拉强度这两个指