基于扩展有限元的抗裂纤维封层阻裂效应及材料适应性研究

发布时间：2020-07-19 02:44

【摘要】：目前,半刚性基层已成为我国高等级沥青路面结构设计中普遍采用的承重层,但半刚性基层抗变形能力较差容易出现裂缝,并最终反射到面层,造成路面的开裂。为解决沥青路面半刚性基层反射裂缝问题,国内外学者提出采用抗裂纤维封层作为半刚性基层与面层之间的应力吸收层已得到广泛应用。抗裂纤维封层具有抗裂性能好、应力吸收及扩散能力强、稳定性高、施工快捷等优点。但目前对于抗裂纤维封层的研究大多集中于工艺介绍上,其材料用量基本采用经验法进行确定,缺乏理论指导,施工随意性较大。因此,研究抗裂纤维封层的阻裂效应,寻求抗裂纤维封层设计的半经验半理论方法具有重要的理论及现实意义。本文着眼于扩展有限元法在模拟裂缝扩展的优势,通过ABAQUS有限元软件建立典型高速公路沥青路面结构,对动荷载作用下沥青路面结构中抗裂纤维封层的阻裂效应及其影响因素进行研究,研究结果表明:半刚性基层沥青路面荷载型反射裂缝的扩展过程可依次分为四个阶段:损伤期、起裂期、稳定期及加速期;沥青路面结构的应力强度因子受抗裂纤维封层弹性模量的影响较大,当抗裂纤维封层的模量大于300MPa后,其应力强度因子随封层模量的增大迅速增长;通过最不利组合条件下抗裂纤维封层的阻裂效应分析得到抗裂封层的适用工况:轴载压力不宜大于0.8MPa、基层裂缝宽度不宜超过2mm,推荐抗裂纤维封层模量取值为200MPa~300MPa。基于复合材料细观力学理论对抗裂纤维封层等效模量的分析方法进行探讨,应用纤维增强复合材料等效模量公式对不同纤维体积掺量下抗裂纤维封层在20℃的等效模量进行理论计算,并通过板带拉伸试验结果对计算值进行误差分析。从纤维体积掺量、温度方面分析误差产生原因,其中纤维体积掺量低于2%时,温度为主要影响因素。根据误差分析结果提出纤维体积掺量小于2%时考虑温度影响的抗裂纤维封层等效模量修正公式,由修正后公式计算得到抗裂纤维封层的弹性模量值与试验值具有较好的一致性。总结国内外纤维碎石封层的经验设计方法,并结合理论研究提出抗裂纤维封层设计时的半经验半理论方法:首先通过扩展有限元数值模拟分析得到抗裂纤维封层的适用工况并推荐弹性模量值。然后由经验法初选抗裂纤维封层材料类型及用量,并采用等效模量公式计算抗裂纤维封层的弹性模量。最后验证模量是否处于扩展有限元数值模拟所推荐模量范围内,进行材料的比选并确定最佳配合比。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U416.2
【图文】：

反射裂缝,扩展机理,半刚性基层

法需基于大量试验基础上，同时具有较多的不确定性，。因此，研究抗裂纤维封层的阻裂效应及影响因素，寻经验半理论方法具有重要的理论及现实意义。研究现状路面半刚性基层反射裂缝展机理基层材料主要以水泥稳定材料或二灰稳定材料为主，由界温度与湿度变化的情况下极易产生初始裂缝。初始裂与温度的进一步作用下沿路面面层方向发生扩展形成反原因来看，可将半刚性基层反射裂缝划分为荷载型与温缩行车荷载的反复作用下而形成的疲劳反射裂缝；后者又缩作用而产生的两种温度疲劳反射裂缝。如图 1-1 所示反射裂缝(荷载型）车轮反射

抗裂,层结构,反射裂缝

反射裂缝不会发生扩展。金光来[18]通过 ABAQUS 数值模拟软件对反射裂缝的形成机理与扩展过程进行了分析，数值模拟结果表明：路面基层疲劳裂缝是否扩展至面层主要受温度应力控制，不属于机械疲劳损伤范畴。廖丹[19]通过数值模拟计算分析得到：沥青路面反射裂缝在扩展过程中受基层厚度与模量的影响较小，主要受面层厚度与模量的影响。综合前人研究成果可知：沥青路面半刚性基层反射裂缝的扩展受内部与外部因素的综合作用。其中，外部因素一般指环境（主要为温度与水）与交通荷载，其中以交通荷载与温度为主因。内部因素则主要为材料本身性能与路面结构形式，其中，路面各结构的各层间接触状态应引起重视。1.2.2 抗裂纤维封层作为一项预防性养护措施，抗裂纤维封层常铺筑于新建沥青路面的面层与半刚性基层之间或旧路路面与加铺层之间，其结构如图 1-2 所示。施工时采用专用洒布车同步喷洒乳化沥青（底层与上层）、纤维（中间层）及碎石集料并进行压实，施工过程如图 1-3 所示。抗裂纤维封层中，纤维呈接部分由沥青传来的力而发生变形，其较强的抗拉能力亦能够在沥青受拉断裂后阻止并延缓裂缝的扩展[20-21]。

碎石封层,纤维

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