第２７卷第３期 ２０１０年９月 华中科技大学学报（城市科学版） Ｊ．ｏｆ ＨＵＳＴ．（Ｕｒｂａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏｌ＿２７ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１０ 纤维加强沥青混凝土低温抗裂性能试验研究 及数值模拟 张英富 ， 廖碧海２， 杨 涛 （１．湖北富吴工程项目管理咨询有限公司，湖北２．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉武汉４３００００； ４３００７４； ３．中国市政工程中南设计研究总院厦门分院，福建摘厦门３６１００６） 要：本文依托漯河某二级公路建设项目，通过室内试验，确定沥青混合料矿料级配、木质素纤维掺和量，并 对不同纤维掺和量的沥青混凝土试件进行了低温抗裂试验。试验结果表明，掺和纤维后能提高混合料的低温 抗裂性能，有效延缓路面疲劳裂缝的产生。同时，结合数值模拟技术，使用ＡＮＳＹＳ软件，对不同纤维掺和量模 型进行了分析，确定方案的优选。最后，铺设１２００ ｍ长的试验路段，建立长期的道路运营跟踪数据观测，证明 方案的合理性和实用性。结果表明，在沥青混凝土中添加木质素纤维可以提高沥青混合料抗裂性能，延长道路 寿命，节省养护成本。本文为该地区新建道路以及旧路修复提供了依据。 关键词：沥青路面；粘弹性；应力强度因子；低温抗裂；试验研究 中图分类号：Ｕ４１６．２１７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－７０３７（２０ｌＯ）０３－００３１－０４ 沥青混凝土的抗裂性是影响沥青路面路用性 能和使用寿命的关键影响因素之一。国内外学者 对其进行了广泛的研究，提出了各种提高沥青混 凝土抗裂性的方法。主要有加铺应力一应变吸收 试验。通过各项指标，评价纤维沥青混凝土的低 温抗裂性能，从而确定合适的提高低温抗裂的措 施。基于当地的气候特点，试验温度选择一１０９（］， 在试验操作过程中制作了低温箱，并通过干冰降 温实现，如图１所示。 膜、土工格栅、土工织物；改进沥青混合料设计，采 用“合金化”方法；在面层与基层之间增加级配碎 石层；基于柔性基层的设计；基层预切缝以及在沥 青混合料中添加纤维材料。其中，在沥青混合料 中掺加纤维材料目前被认为是改进沥青路面抗裂 性比较经济有效的方法。Ｌｅｅ…，黄彭 ，Ｆｒｅｅ－ ｍａｎ Ｊ，Ｍｏｕｓｓａｌ４］陈华鑫－５ 等陆续对尼纶纤维， ，木质素纤维，聚酯纤维，聚乙烯纤维，聚酰胺纤维 沥青混凝土路面和各种纤维的微观性质做了深人 的研究，发现聚酯纤维具有最佳的效果。 本文针对实际工程项目的气候环境条件，对 不同纤维掺和量的沥青混凝土试件进行低温抗裂 性能试验，并根据试验所得材料属性进行了数值 模拟，得到了一些有益于工程实践的建议和结论。 图１试验加载 为了对比影响低温抗裂性的各种因素，得到 最佳提高低温抗裂性的措施，本试验采用同一种 沥青（道路石油沥青９Ｏ＃），设置以下对比组： 第一组：面层结构５０ ｍｌ／１＋２５ ｒａｉｎ，添加 １试验方案 本试验的目的在于模拟冬季低温条件下，进 行热拌沥青混凝土在规定温度下的标准小梁弯曲 收稿１３期：２０１０－０７－２８ ０．２６％木质素纤维； 第二组：面层结构５０ ｍｍ＋２５ ｎ２１Ｔｌ，不掺加任 何纤维； 第三组：只减薄面层厚度，即面层结构５０ ｍｍ 作者简介：张英富（１９６３．），男，高级工程师，研究方向为道路工程管理与咨询（Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｉｎｇｆｕ＠１２６．ｃｏｒｎ） ・３２・ 华中科技大学学报（城市科学版） ２０１０纽 ＋２０ ｍｍ，添加０．２６％木质素纤维； 第四组：面层结构５０ ｍｍ＋２５ ｍｍ，但只在下 面层添加０．３％木质素纤维； 第五组：面层结构５０ ｍｍ＋２５ ｍｍ，但改为添 加０．３％聚丙烯纤维。 ２试验数据结果 通过试验可得各组试件的荷载－挠度曲线，如 图３所示。 用低温弯曲试验来评价沥青混合料的低温抗 裂性，评价指标为破坏应变、弯拉强度和劲度模 量，试验步骤见《公路工程沥青及沥青混合料试 验规程》 Ｊ。 由最大破坏荷载Ｐ 和最大破坏荷载对应的 挠度ｄ（ｍｍ）可得到抗弯拉强度 （ＭＰａ），破坏 时梁底最大弯拉应变 和破坏时弯曲劲度模量 ＳＢ（ＭＰａ）： ３ＬＰＢ ６ｈｄ ＲＢ “ 一２ｂｈ２’ 一Ｌ ’０Ｂ— Ｈ 式中，Ｒ ｜ｓ 分别为试件破坏时的抗弯拉强度、弯 曲劲度模量，ＭＰａ； 为试件破坏时的最大弯拉应 变；６、ｈ、Ｌ分别为试件的宽度、高度、跨径，ｍｍ；Ｐ 为试件破坏时的最大荷载，Ｎ；ｄ为试件破坏时的 跨中挠度，ｎｌ／ｎ。 沥青混合料低温弯曲试验，采用轮碾法成型 的板切割而成的小梁试件，在一１０℃试验温度下 进行单点加载直至破坏，加载速率５０ ｒａｍ／ｒａｉｎ。 试验仪器采用材料测试系统ＭＴＳ一８０，整个试验过 程可通过程序进行控制并由计算机自动采集试验 数据。 图２为试件破坏后的裂缝形态，裂纹的起始 端点基本上在跨中底部，当载荷加载到超过极限 载荷时，裂纹向上扩展，有平直的，也有不规则的。 （ａ）裂纹平直扩展 （ｂ）裂纹不规则扩展 图２试件破坏后的裂纹形态 （ａ）第一组 维 ８０００ ６０００ Ｚ 蒹４ｏｏｏ ２０００ Ｏ ｏ．ｏ ｏ．２ ０．４ ０．６ ０．８ １．０ １．２ １．４ １．６ 挠度／ｍｍ （ｂ）第二组 辖 铺 （ｃ）第三组 Ｚ 耀 挠度／ｍｍ （ｄ）第四组 第３期 张英富等：纤维加强沥青混凝土低温抗裂性能试验研究及数值模拟 ・３３・ （ｅ）第五组 图３各组试件的荷载一挠度曲线 弯拉强度越高，材料在低温下抵抗破坏的能 力越强，沥青混合料的低温抗裂性能就越好。由 图４可以看出，添加木质素纤维能显著提高其弯 拉强度，即使仅在下面层掺加木质索纤维，效果也 很明显，而将面层的厚度减薄严重降低了其弯拉 强度。说明在沥青混合料中添加木质素纤维是一 种很好的提高低温抗裂性能的措施，而减薄面层 厚度会产生严重的不利影响，所以实际施工时不 宜随意减薄面层厚度。 时 慧 挺 静 １ ２ ３ ４ ５ 试验编号 图４各组试件的弯拉强度 综合考虑上面的利用各种不同的指标分析评 价沥青混合料的低温抗裂性能的结果，可以看出 沥青面层的厚度对其低温抗裂性能有显著的影 响，而在沥青面层中掺加木质素纤维能明显改善 其低温抗裂性能。 ３数值模拟 利用试验得出的载荷一位移曲线，换算为应 力．应变关系，利用多线拟合应力一应变曲线，将沥 青材料的本构关系导入ＡＮＳＹＳ中，分析各种情况 的动力响应特性。 为了兼顾计算机计算时间因素，采用１／２对 称模型进行计算，只在裂纹附近采取网格细化，土 层采取级差网格划分，以获得较好的计算精度，又 节省了计算机计算时间。道路体系总体网格划分 见图５，裂纹尖端附近网格划分见图６，裂纹尖端 采用奇异单元。 裂纹尖端附近 图５网格划分示意 图６裂纹尖端网格划分 图７中显示了采用试验得出的本构关系，通 过数值模拟得出的动态应力强度因子时间历程曲 线，可以看出，在不添加任何纤维情况下所对应的 动态应力强度因子（ＤＳＩＦ）峰值最大，而添加了纤 维后，ＤＳＩＦ峰值会有明显的降低。 ＿＿．篱一翊．瓣／Ｊａ０ ２６％未雨索纤维 ： ｇ ● 一 ｅＬ 图７ 动态应力强度因子时间历程曲线 一－一器加０ ２６％术质索纤维 一●一不添加任何纤维 图８掺加不同纤维时动态应力强度因子 时间历程曲线 图８对比了添加木质素纤维和聚丙烯纤维后 的动态应力强度因子变化情况。从图中可以看 ・３４・ 华中科技大学学报（城市科学版） ２０１０拄 出，无论添加了哪种纤维，ＤＳＩＦ峰值都有明显的 降低，而添加聚丙烯纤维所对应的ＤＳＩＦ峰值比添 维，但是从经济角度考虑，对于大面积使用聚酯纤 维沥青混凝土路面应考虑其经济性。 参考文献 加木质素纤维所对应的ＤＳＩＦ峰值还要低；从数据 上看，添加聚丙烯纤维后，ＤＳＩＦ峰值从０．４３ ＭＰａ ・ｍ 降到０．０９９ ＭＰａ・ｍ ，降低了３３３．２％，添 加木质素纤维后，ＤＳＩＦ峰值从０．４３ ＭＰａ・ｍ 降 到０．１９ ＭＰａ・ｍ ，降低了１２８．６％，换言之，添 ［１］Ｌｅｅ Ｓ Ｊ，Ｒｕｓｔ Ｊ Ｐ，Ｈａｍｏｕｄａ Ｈ，ｅｔ １．Ｆａｔａｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ— ｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｉｆｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ａｓｐｈａｌｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］． Ｔｅｘｉｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００５，７５（２）：１２３ｏ１２８． ［２］ 黄彭．木质素纤维在沥青混合料中的应用研究 加聚丙烯纤维具有更好的阻裂效果。 ［Ｊ］．石油沥青，１９９８，１２（４）：９－１５． ４结论 ［３］ Ｆｒｅｅｍａｎ Ｒ Ｂ，Ｂｕｒａｔｉ Ｊ Ｌ，Ａｍｉｒｋｈａｎｉａｎ Ｓ Ｎ，ｅｔ ａ１． Ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ｉｆｂｅｒｓ ｉｎ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｉｎｇ ｍｉｘｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ａｓｓｏ－ ｅｌａｔｉｏｎ Ａｓｐｈａｌｔ Ｐａｖｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８９，５８（６）： （１）在沥青混凝土中掺加纤维将大大提高其 ３８７－４０９． 低温弯拉强度，即使是仅在下面层掺加纤维，效果 ［４］ Ｍｏｕｓｓａ Ｇ Ｋ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｉｆｂｅｒｓ ｏｆ ｐｏｌｙ－ 也很明显； ａｃｒｙｌｉｃ ａｎｄ ｐｏｌｙａｍｉｄｅ ｔｏ ａｓｐｈａｌｔ ｍｉｘｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＡＥＪ－ （２）减薄沥青混凝土的面层厚度将严重降低 Ａｌｅｘａｎｄｒｉａ Ｅｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００３，４２（３）：３２９－３３６． 其弯拉强度，也就是说沥青混合料面层的厚度对 ［５］陈华鑫，张争奇，胡长顺．纤维沥青混合料的低温 其低温抗裂性能是一个非常重要的影响因素。 抗裂性能［Ｊ］．华南理工大学学报（自然科学版）， （３）在沥青混凝土中掺加纤维后，动态应力 ２００４，３２（４）：８２－８６． 强度因子（ＤＳＩＦ）峰值会有明显的降低。说明纤 ［６］ ＪＴＪ ０５２－２０００，公路工程沥青及沥青混合料试验规 维材料能够显著的提高沥青路面的低温抗裂性： 范［Ｓ］． （４）聚丙烯纤维的阻裂效果要好于木质素纤 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｒａｃｋ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｔ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ Ａｓｐｈａｌｔ Ｐａｖｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ Ｆｉｂｅｒ ｚＨＡＮＧ Ｙｉｎｇ－ｆｕ１。 ｕＡｏ Ｂｉ—ｈａｉｚ ＹＡＮＧ Ｔａｏ５ （１．Ｈｕｂｅｉ Ｆｕｈａｏ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｃｏ Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ ４３００００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ＨＵＳＴ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｃｅｎｔｒａｌ ａｎｄ ＳｏｕｔｈｅｌＴｌ Ｃｈｉｎａ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｘｉａｍｅｎ Ｂｒａｎｃｈ。Ｘｉａｍｅｎ ３６１００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｒｏａｄ，ｗｅ ｃｏｎｄｕｃｔ ｉｎｄｏｏｒ ｔｅｓｔｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｇｒａｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｉｆｂｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｓｐｈａｌｔ ｍｉｘｔｕｒｅ．Ａｎｄ ｗｅ ｈａｖｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｅｓｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｒｅ－ ｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｉｘｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｆｉｂｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒｓ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｒａｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｓｐｈａｌｔ ｍｉｘｔｕｒｅ， ｈｔｕｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｔｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｌａｙｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ＦＥＡ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ，ｗｅ ｈａｖｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｍｉｘｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｌｉｇｎｉｎ ｆｉｂｅｒｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ １ ２００ｍ—ｌｏｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ— ｗａｙ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｕｔｉｌｉｚｅ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒｓ ｔｏ ｉｎｈｉｂｉｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒａｃｋ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｔｅｓｔｉｆｙ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ— ｉｔｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｏｕｒ ｄｅｓｉｇｎ，ｗｅ ｈａｖｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉ． ｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｂｅｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ａｓｐｈａｌｔ ｍｉｘｔｕｒｅ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｔｓ ｃｒａｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｅｘｔｅｎｄ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｃｏｓｔ．Ｗｈａｔ ｉｓ ｍｏｒｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌ ｏｆｆｅｒ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ｏｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｎｅｗ ｒｏａｄ ｏｒ ｒｅｐａｉｉｒｎｇ ｔｈｅ ｏｌｄ ｒｏａｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ；ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ；ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ；ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｒａｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｅｘ－ ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ
