有机纤维与聚合物复合改性水泥砼道路罩面层多尺度疲劳损伤特性研究

Paving cement concrete overlay is an important way of pavement overhaul. To effectively improve the brittleness and poor dynamic performance of cement concrete overlay, this research proposes a new kind of road overlay material which is composed of organic fiber and polymer composite-modified cement concrete (FPMC for short).The multi-scale fatigue damage performance of FPMC overlay is used as the research object.Through the macroscopic fatigue test of the prismoid specimen and full size overlay specimen, the main influence factors of the fatigue performance are obtained. The fatigue damage model is established based on the stiffness degradation degree which is used as the characterization of damage. Its periodic characteristics of fatigue damage evolution are also revealed. The mesoscopic scale fatigue damage evolution law is proven by the finite element numerical simulation of Falling Weight Deflectometer. The internal microstructure morphology of interface transition zone is observed by adopting the methods of SEM and MIP and microhardness, and the composite enhancement mechanism and the synergistic effect of fatigue dynamic performance are also investigated. This research can provide the theory basis for reasonable design and construction of FPMC overlay, and it is to the benefit of the application and dissemination of the cement concrete road overlay in pavement overhaul.

加铺水泥混凝土罩面层是道路路面大修改建的重要方式，为有效改善传统水泥混凝土罩面层脆性大、疲劳动力学性能差等问题，本项目提出一种有机纤维与聚合物复合改性水泥混凝土（FPMC）罩面层。以行车载荷下FPMC罩面层的多尺度疲劳损伤特性为研究对象，通过小梁试件与罩面层足尺试件的宏观疲劳动力学实验，得出FPMC罩面层疲劳性能的主要影响因素，以刚度的退化程度来表征损伤，建立疲劳损伤模型，揭示其宏观疲劳损伤演化的阶段性特征；采用有限元数值模拟分析，开展基于落锤式弯沉仪的FPMC罩面层路面结构力学行为与动力响应研究，探明其细观尺度的疲劳损伤演化规律；通过SEM、MIP及显微硬度等方法观测基体内部界面过渡区的微观结构形貌，揭示有机纤维与聚合物对其疲劳动力学性能的复合增强改性机理及其叠加效应。本研究可为FPMC罩面层的合理化设计与施工提供理论依据，对于其在路面大修改建中的推广应用具有重要意义。

按照项目研究计划，对5种不同配比的FPMC混凝土小梁试件进行了静载试验与三分点弯曲等幅循环加载疲劳试验。不同有机纤维、聚合物掺量及应力水平对FPMC应变、挠度等参数的影响规律表明：循环荷载作用下，FPMC混凝土的最大应变、最小应变随循环加载次数的变化呈三阶段规律发展，三阶段发展规律与FPMC循环疲劳寿命比密切相关。FPMC在弯曲等幅疲劳荷载作用下的最大应变与残余应变的初始值、极限值基本不受应力水平的影响。此外，根据不同应力水平下FPMC的疲劳寿命结果，利用两参数威布尔分布得出了不同失效概率下FPMC小梁试件的P-S-N疲劳寿命方程，通过实测数据证明FPMC疲劳寿命可以很好的服从两参数威布尔分布，并且在各级应力水平下，FPMC的疲劳寿命均要明显优于普通素混凝土。在疲劳损伤规律研究方面，得出不同应力水平的循环加载下疲劳寿命-挠度曲线以及疲劳寿命-应变曲线，结合FPMC疲劳损伤累积的三阶段变化特征，通过分析优选，以残余应变来定义疲劳损伤变量，建立了能较好反映FPMC罩面层损伤演化规律的疲劳损伤模型。与此同时，通过足尺试件的循环加载动力学实验，分析研究了在循环加载过程中罩面层板底与板顶挠度、应变的变化规律，从罩面层板与基层板的动力响应证明FPMC罩面层与基层板作为整体承载时优越的抗疲劳性能。另外，利用Ansys有限元软件分析模拟了FPMC罩面层路面结构在行车荷载作用下的力学响应，结合足尺试验，得出了罩面层与基层层间界面粘结的力学行为与动力响应特征。表明完全结合情况下的FPMC罩面层板与基层作为一个整体承受荷载，能够有效利用基层结构强度；而基层与面层完全分离情况下容易导致罩面层整体路面结构在荷载与水损害等共同作用下发生破坏。通过相关微观实验结果表明：聚酯纤维形成的微型空间“网架”结构，聚合物颗粒的填充作用，以及聚合物与水泥基体、聚合物与有机纤维之间良好的粘结性能，可以保证有机纤维、水泥水化凝胶与骨料三者之间形成良好的界面结合，充分发挥有机纤维与聚合物在基体内部增强增韧作用，从而有效提高了FPMC的疲劳寿命与力学性能。项目资助在国内外重要学术期刊上发表相关学术论文11篇（其中国际SCI期刊3篇，国际EI期刊1篇，中文核心期刊7篇），申报国家发明专利1项；联合培养博士研究生1名，培养硕士研究生4名。项目投入经费25万元，支出20.8955万元，各项支出与预算相符。