粗骨料对沥青混凝土开裂阻力影响分析

1、第24卷第5期 V ol.24 No.5 工 程 力 学 2007年 5 月 May 2007 ENGINEERING MECHANICS176收稿日期:2006-02-27; 修改日期:2006-06-06作者简介:*应荣华(1961,男,湖南娄底人,副教授,主任,从事道路工程研究(E-mail: yingronghua;郑健龙(1954,男,湖南邵阳人,教授,博士,博导,校长,国际沥青路面专家协会高级会员,中国力学和公路学会理事,湖南省力学学会副理事长,从事道路工程、岩土工程、工程力学研究(E-mail: zjl;陈 骁(1980,男,重庆丰都人,博士生,从事路基路面及道路材料研究(E-m

2、ail: cxbs2006; 冯 浩(1983,男,湖南长沙人,硕士生,从事路面及道路材料研究(E-mail: fenghao.83.文章编号:1000-4750(200705-0176-04粗骨料对沥青混凝土开裂阻力影响分析*应荣华,郑健龙,陈 骁,冯 浩(长沙理工大学公路工程学院,长沙 410076摘 要:沥青混凝土是典型的非均匀材料,在进行力学分析时通常是将其视为均匀、各向同性体,但是理论分析结果很难与实际相符合。同时均质化假设也很难解释含大粒径骨料的沥青碎石作为防裂层的抗裂性能优于小粒径沥青混凝土的现象。笔者通过在均质的沥青混凝土引入一个粗骨料,应用断裂力学平面有限元程序系统地分析了粗

3、骨料对沥青混凝土抗裂性能的影响,分析结果可以较好地解释大粒径沥青混凝土的抗裂性能优于小粒径沥青混凝土的机理。因此,使用大粒径骨料沥青混泥土能够改善路面的使用寿命。 关键词:路面;沥青混凝土;粗骨料;非均匀性;断裂性能 中图分类号:O346.1; TU414 文献标识码:ATHE EFFECT OF COARSE AGGREGATE ON CRACKING RESISTANCEOF ASPHALT CONCRETE*YING Rong-hua , ZHENG Jian-long, CHEN Xiao, FENG Hao(College of Highway Engineering, Changs

4、ha University of Science & Technology, Changsha 410076, ChinaAbstract: Asphalt concrete is a typical non-homogeneous material, but it is usually treated as a homogeneous and isotropic body in mechanical analysis. This causes the results of theoretical analysis hardly in agreement with actual. Me

5、anwhile, it can hardly interpret the phenomena that the crack resistance of asphalt concrete containing large stone aggregate is larger than that of containing little stone aggregate. The authors use coarse aggregate in homogeneous asphalt concrete and analyze the effects of coarse aggregate on crac

6、king resistant of asphalt concrete by using a fracture mechanistic finite element method. The results can interpret the mechanism why the crack resistance of asphalt concrete containing large stone aggregate is larger than that of containing little stone aggregate. Therefore, large stone aggregate a

7、sphalt concrete can improve pavement use life-span. Key words: pavement; asphalt concrete; coarse aggregate; non-homogeneity; fracture performance在旧水泥混凝土路面的沥青混凝土罩面的实践中,人们发现采用含大粒径骨料的沥青碎石作为防裂层的防裂效果普遍要比沥青砂(最大粒径为5mm的防裂效果要好得多,使用寿命较长。将沥青混凝土看作是一种均质材料的假设显然也难以对此现象作出合理的解释。沥青混凝土是典型的非均匀材料,骨料的存在使沥青混凝土中的应力分布很不均匀,

8、但是一般均是将其看作是一种均质、各向同性的材料,忽略了它的不均匀性对沥青混凝土性能的影响。这种简化处理方法,使得理论分析结果很难与实际相符合。为了探讨大粒径沥青混凝土的抗裂性能优于小粒径沥青混凝土的机理,笔者通过在均质的沥青混凝土引入一个粗骨料,应用自编的断裂力学平面有限元程序分析了粗骨料的引入对沥青混凝土中的应力分布、裂纹尖端的应力强度因子等因素的影响,以及粗骨料的粒径及其距裂纹尖工 程 力 学 177端的距离对裂纹尖端应力强度因子的影响规律。根据分析结果,可以较好地解释大粒径沥青混凝土的抗裂性能优于小粒径沥青混凝土的机理,使用大粒径骨料能较好地改善路面的使用寿命1,2。 1 计算模型本研究

9、以常用于测定沥青混凝土的断裂力学参数的三点弯曲试验为计算模型。并将其简化为一个平面问题,且只分析单个粗骨料的存在对沥青混凝土的断裂力学性能的影响(如图1。在本模型中,试件的长度固定为0.4m ,高度固定为0.1m ,试件下缘的裂纹长度c 、粗骨料的粒径r 、粗骨料与裂纹尖端间的距离d 可以变化。 图1 计算模型 Fig.1 Calculation model2 有限元程序及其验证 为了对图1所示模型进行断裂力学分析,作者采用Visual Fortran 编写了一个断裂力学平面有限元程序3,4。程序在裂纹尖端采用一圈二项式的奇异单元(图2,其余部分采用常规单元。在进行弹性分析之后,根据裂纹面上不

10、同位置处点的位移计算出应力强度因子I K ,作出I K r 曲线,然后将其平直部分外延到0r =,以在I K 轴上的截距作为所求的I K 值。计算应力强度因子的方法在一般的参考资料中均有详细的介绍,在此不再赘述。(a 奇异单元 (b 裂纹尖端的单元划分 图2 用于裂纹尖端的奇异单元及裂纹尖端的单元划分 Fig.2 Uses in crack tip boundary element and element division为了验证本程序的正确性,作者选用了如图3所示的含单边贯穿裂纹的有限宽板(板的长度L >>板的宽度W 进行了计算。图3 程序验证模型 Fig.3 Program v

11、alidation model其应力强度因子的近似计算公式为5:I =K M(12M = 3438.4853.85a a W W +(2在本程序中,令粗骨料的弹性常数(弹性模量E 和泊松比v 与沥青混凝土的弹性常数相等,即可以用于计算图3所示的模型6。利用本程序,计算了不同裂纹长度a 和应力水平条件下的应力强度因子K I 。计算结果与近似解对照如表1所示。表1 有限元计算K I 值与近似解的比较(W =0.1m ,L =0.4mTable 1 Comparison of finite element calculation K I value and approximate value (W

12、=0.1m ,L =0.4m =1/Pa =5/Pa 裂纹长度a /mm有限元解 近似解 误差/% 有限元解 近似解 误差/% 10.05980.0629-4.940.29840.3146-5.152 0.0831 0.0890 -6.63 0.4227 0.4448 -4.97 5 0.1358 0.1406 -3.41 0.6827 0.7030 -2.89 100.2013 0.1988 1.26 1.009 0.9939 1.52 注:应力强度因子的单位为-3/2N m。从表1可以看出:本研究所编写的断裂力学有限元程序是正确的,且计算结果的精度较高。因此,本程序可以用于随后的计算分析。

13、3 骨料的存在对裂纹尖端应力场的影响应用本程序,笔者对不同裂纹长度的模型进行178 工程力学了计算。在计算中,粗骨料的弹性模量简单地取为沥青混凝土的弹性模量的100倍,即沥青混凝土的模量取为3.0GPa,粗骨料的模量取为300.0GPa。无骨料和有骨料时,裂纹与骨料附近的应力分布分别如图4和图5所示。对照图4和图5可以看出:骨料的存在使沥青混凝土中的应力分布很不均匀,当在裂纹的上部存在粗骨料时,粗骨料的作用类似于在裂纹上部的加筋作用,大部分应力均是由粗骨料承担,裂纹尖端的应力大大减小,应力集中程度降低,应力强度因子K I减小,从而相对地增强了沥青混凝土的抗裂能力7。 图4 不考虑粗骨料时裂纹尖

14、端的主应力S1/PaFig.4 Crack tip principal stress S1/Pa without-consideringcoarse aggregate 图5 考虑粗骨料时裂纹尖端的主应力S1/PaFig.5 Principal stress S1/Pa at crack tip considering coarseaggregate不同裂纹长度时,粗骨料对其应力强度因子的影响(表2。表2 不同裂纹长度时,粗骨料对其应力强度因子的影响Table 2 The different crack, coarse aggregate to stressintensity factor i

15、nfluence应力强度因子K I/ (-3/2N m裂纹长度a/mm有粗骨料时无粗骨料时1 0.80733.75503 2.39456.56565 4.07738.43098 5.885710.289910 7.031511.2902 注:在本组计算中,粗骨料下缘距裂纹尖端的距离固定为1mm;粗骨料粒径固定为10mm。4 粗骨料模量对裂纹尖端应力强度因子的影响为了研究骨料的模量对其加筋效果的影响,笔者应用本程序计算分析了粗骨料与沥青混凝土具有不同的模量比时,裂纹尖端的应力强度因子8。计算结果见表3。从表3可以看出:粗骨料对沥青混凝土的加筋作用随着粗骨料的模量的增大而逐渐增大。粗骨料的模量越大

16、,其加筋作用越明显,裂纹尖端的应力强度因子就越小。表3 不同模量比时,裂纹尖端的应力强度因子Table 3 Crack tip stress intensity factor withdifferent module ratios骨料与沥青混凝土模量之比E骨料/E砼(E砼=3000×106Pa裂纹长度a/mm 1 10 10010001 3.7550 1.1545 0.8073 0.77193 6.5656 2.9652 2.3945 2.33405 8.4309 4.7521 4.0773 4.00468 10.2899 6.6424 5.8857 5.803410 11.2902

17、 7.7893 7.0315 6.9488注:在本组计算中,粗骨料下缘距裂纹尖端的距离固定为1mm;粗骨料粒径固定为10mm。5 粗骨料粒径对裂纹尖端应力强度因子的影响根据前面的分析可知粗骨料的存在确实对沥青混凝土的抗裂性能存在较大的影响。为了探讨粗骨料粒径对裂纹尖端应力强度因子的影响规律,笔者通过改变粗骨料的粒径,利用本程序计算了图1所示模型裂纹尖端相应的应力强度因子,计算结果如表4和图6所示。表中无粗骨料时的应力强度因子值是令粗骨料的弹性常数等于沥青混凝土的弹性常数时计算得到的应力强度因子值9。工程力学 179从表4和图6的计算结果可以看出:粗骨料的存在可以大幅度地降低沥青混凝土裂纹尖端的

18、应力强度因子K I,且应力强度因子降低的幅度与粗骨料的粒径高度相关。粗骨料的粒径越大,则其加筋作用也就越明显,使得裂纹尖端的应力强度因子降低的幅度越大,应力强度因子的值越小。例如在本组计算所采用的条件下,当粗骨料的粒径为25mm 时,可以使裂纹尖端的应力强度因子由无粗骨料时的9.0092-3/2N m降低至1.7255-3/2N m,其加筋效应非常明显。表4 骨料粒径对裂纹尖端应力强度因子的影响Table 4 Influence of aggregate stone on stress intensity factor at crack tip粒径/mm 10 11 12 15 20 25 无

19、粗骨料时K I 4.0773 3.8256 3.5906 3.0052 2.2660 1.7255 9.0092 5mm。图6 粗骨料粒径对裂纹尖端应力强度因子的影响规律Fig.6 Influence of coarse aggregate stone on stress intensityfactor at crack tip6 粗骨料离裂纹尖端的距离对裂纹尖端应力强度因子的影响为了探讨粗骨料离裂纹尖端的距离对裂纹尖端应力强度因子的影响规律,笔者通过固定粗骨料的粒径,改变骨料与裂纹尖端的距离d的值,利用本程序计算了图1所示模型裂纹尖端相应的应力强度因子,计算结果如表5所示。同样地,表中无粗骨

20、料时的应力强度因子值是令粗骨料的弹性常数等于沥青混凝土的弹性常数时计算得到的应力强度因子值10。表5 粗骨料与裂纹尖端间的距离对裂纹尖端应力强度因子的影响Table5 Influence of distance of coarse aggregate on stressintensity factor at crack tip距离/mm 1 2 3 4 5无粗骨料时K I 4.0773 4.8399 5.6846 6.2743 6.5137 9.0092 注:在本组计算中,裂纹长度固定为5mm,粗骨料粒径固定为10mm。从表5的计算结果可以看出:粗骨料对沥青混凝土的加筋作用、对裂纹尖端应力强度

21、因子的降低幅度也与粗骨料距裂纹尖端的距离有关。粗骨料离裂纹尖端的距离越近,则其加筋作用就越明显,裂纹尖端的应力强度因子也相应的越小。7 结论通过应用自编的断裂力学平面有限元程序,计算分析了沥青混凝土中的粗骨料对裂纹尖端的应力场、应力强度因子K I的影响。分析结果表明:(1 粗骨料的存在使沥青混凝土中的应力分布很不均匀,它是应力集中的主要根源,但骨料本身强度又高,因而骨料又可能起到阻止裂纹扩展的作用。(2 裂纹上部的粗骨料对沥青混凝土中的应力分布、裂纹尖端的应力强度因子等具有较大的影响,可以较大地减小裂纹尖端的应力和应力集中程度,减小应力强度因子K I,其作用类似于加筋作用。(3 粗骨料对沥青混

22、凝土的加筋作用程度、使应力强度因子降低的幅度与粗骨料的粒径高度相关。粗骨料的粒径越大,则其加筋作用也就越明显,裂纹尖端的应力强度因子降低的幅度越大,应力强度因子的值越小。(4 粗骨料对沥青混凝土的加筋作用、对裂纹尖端应力强度因子的降低幅度也与粗骨料距裂纹尖端的距离有关。粗骨料离裂纹尖端的距离越近,则其加筋作用就越明显,裂纹尖端的应力强度因子也相应的越小。(参考文献转第150页150 工程力学2002, 22(3: 9199.Chen Bo, Lu Xilin, Li Peizhen, Chen Yueqing.Computational analysis of dynamic homogene

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