聚酯玻纖布防裂性能影響因素的灰熵分析

，，

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401； 2.天津市交通工程綠色材料技術(shù)工程中心，天津 300401)

1 前 言

半剛性基層瀝青路面反射裂縫是我國(guó)高速公路瀝青路面早期破壞的主要類(lèi)型之一，影響著瀝青路面的壽命和安全[1]。研究表明，土工合成材料能夠提高瀝青路面的抗裂性能[2]。聚酯玻纖布是由60%玻璃纖維和40%聚酯纖維組成的一種全新玻纖復(fù)合防裂材料，這種獨(dú)特的組合彌補(bǔ)了玻璃纖維的強(qiáng)度和聚酯纖維的柔韌性的不足，克服了原材料的缺點(diǎn)。研究結(jié)果表明，復(fù)合效果良好[3-5]，值得進(jìn)一步研究。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 聚酯玻纖布的組成

聚酯纖維由有機(jī)二元酸和二元醇縮聚而成的聚酯經(jīng)紡絲所得的合成纖維。其主要成分為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)，化學(xué)分子式見(jiàn)圖1。聚對(duì)苯二甲酸乙二酯具有較高的熔融溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，在耐熱性、耐磨性和電絕緣性等方面表現(xiàn)優(yōu)異，在聚酯纖維生產(chǎn)中有著重要應(yīng)用[6]。之外，聚酯纖維還含有少量聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯纖維。

圖1 PET化學(xué)分子式Fig.1 PET chemical formula

聚酯纖維比重為1.38；熔點(diǎn)255～260℃，在205℃時(shí)開(kāi)始粘結(jié)，安全熨燙溫度為135℃；吸濕度很低，僅為0.4%；長(zhǎng)絲的斷裂強(qiáng)度為3.97～4.85CN/dtex，短纖維為3.09～4.85CN/dtex；長(zhǎng)絲的斷裂伸長(zhǎng)率為15～25%，短纖維為25～40%；高強(qiáng)型纖維強(qiáng)度可達(dá)6.17～7.06CN/dtex，伸長(zhǎng)為7.5～12.5%；具有優(yōu)良的耐皺性、彈性和尺寸穩(wěn)定性，耐摩擦，不霉不蛀，較好的耐弱酸及弱堿性能特點(diǎn)。

玻璃纖維是優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料，具有絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好，機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但是性脆，耐磨性較差。研究發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維經(jīng)偶聯(lián)劑處理對(duì)PET的力學(xué)性能有所提高[7]，能夠增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的斷裂行為[8]，因此通常用作復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料。

聚酯玻纖布以玻璃纖維和聚酯纖維為主要原料，采用濕法工藝制成。聚酯玻纖布集中了兩種纖維的優(yōu)良特性：GF(玻璃纖維)的強(qiáng)度、耐熱、抗老化、耐水，以及PET(聚酯纖維)的柔韌性，而得到一個(gè)“剛?cè)岵?jì)”的全新材料。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文采用有限元軟件Abaqus構(gòu)建道路力學(xué)模型，其結(jié)構(gòu)形式為：4cm瀝青混凝土(SBS AC-13)+8cm瀝青混凝土(AC-25)+聚酯玻纖布夾層+18cm石灰粉煤灰碎石+18cm石灰粉煤灰碎石+銑刨層，結(jié)構(gòu)層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 道路力學(xué)層模型的結(jié)構(gòu)層參數(shù) Table 1 Parameters of structure layer

在建立的道路模型中，聚酯玻纖布選取了可以考慮厚度變化的薄膜單元M3D4R，其他結(jié)構(gòu)層采用三維實(shí)體單元C3D8。由于聚酯玻纖布極易發(fā)生推移、折疊，在荷載作用下，結(jié)構(gòu)層間會(huì)產(chǎn)生摩擦、滑移現(xiàn)象，從整體上就不連續(xù)，為了更好地進(jìn)行Abaqus有限元分析，采用接觸單元，網(wǎng)格為M3D8R，模型大小為6×6×3m，且假設(shè)條件有：(1)每個(gè)結(jié)構(gòu)層都是均勻、不間斷、且各向同性的線彈性體；(2)每層之間水平方向和豎向位移均為連續(xù)；(3)基層底和各層結(jié)構(gòu)側(cè)面位移都為零；(4)不計(jì)路面結(jié)構(gòu)的自重影響。

2.3 測(cè)試結(jié)果

道路力學(xué)模型中，路面面層頂部加載標(biāo)準(zhǔn)行車(chē)荷載及垂直壓力0.7MPa，兩荷載圓半徑為1δ(10.65cm)，圓心距為3δ(31.95cm)，兩側(cè)間的輪隙距離為182cm。輪載按均布荷載分布，以車(chē)輪間隙的中心作為原點(diǎn)，根據(jù)雙圓均布垂直與水平荷載綜合作用下彈性層狀體系理論，分析聚酯玻纖布在影響因素變化的情況下，瀝青層底應(yīng)力變化情況。

計(jì)算模型及路面其它結(jié)構(gòu)層參數(shù)不變，只考慮聚酯玻纖布夾層的彈性模量對(duì)應(yīng)力的影響，即夾層材料的彈性模量分別取 500、800、1000、1500及2000MPa。當(dāng)模量為800MPa的時(shí)候，根據(jù)不同時(shí)刻的時(shí)間-剪應(yīng)力曲線(見(jiàn)圖2)，提取出最大剪應(yīng)力，進(jìn)而得出聚酯玻纖布夾層模量與應(yīng)力的關(guān)系，見(jiàn)圖3。

同理，依次得出聚酯玻纖布夾層厚度、夾層粘結(jié)系數(shù)、面層模量、及層模量與應(yīng)力的關(guān)系圖，見(jiàn)圖4～圖7。

3 灰關(guān)聯(lián)熵分析法

圖3 聚酯玻纖布夾層模量與應(yīng)力的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the modulus of polyester fiber glass and stress

圖4 聚酯玻纖布夾層厚度與應(yīng)力的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between the thickness of the laminated polyester fiber glass and stress

圖5 聚酯玻纖布夾層粘結(jié)系數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the bonding coefficient of the laminated polyester fiber glass and the stress

圖6 面層模量與應(yīng)力的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between modulus of surface layer and stress

圖7 基層模量與應(yīng)力的關(guān)系圖Fig.7 Relationship between the modulus of the basic level and the stress

灰色關(guān)聯(lián)分析方法是以系統(tǒng)因素之間發(fā)展態(tài)勢(shì)的相異或相似程度為基礎(chǔ)來(lái)衡量因素間或因素和系統(tǒng)行為之間的關(guān)聯(lián)程度[9]?；谊P(guān)聯(lián)熵分析是在灰關(guān)聯(lián)分析基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的[10]。灰關(guān)聯(lián)分析是基于行為因子序列的微觀或宏觀幾何接近，分析因子間影響程度,根據(jù)因子對(duì)主平均值的辦法確定關(guān)聯(lián)度，因此存在局部關(guān)聯(lián)傾向、個(gè)性信息損失等缺點(diǎn)?；谊P(guān)聯(lián)熵分析法彌補(bǔ)了上述不足，從而使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確[11-12]。計(jì)算步驟有：

3.1 確定映射量

選取映射量時(shí)，應(yīng)遵循功能性、可獲取性、完整性、可比性和非重疊性原則，選準(zhǔn)反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)系列。

3.2 均值化處理

(k=1，2，…，n；i=1，2，…，m)

(1)

得無(wú)量綱參考列x0=[x0(1)，x0(2)，…，x0(n)]，比較列xi=[xi(1)，xi(2)，…，xi(n)](k=1，2，…n；i=1，2，…，m)。

3.3 計(jì)算灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

設(shè)εjk為參考列與各比較列的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，則：

(2)

式中，Δmin為兩極最小差，Δmax為兩極最大差，ρ為分辨系數(shù)，一般取0.5。

(3)

(4)

Δj(k)=|χ0(k)-χi(k)|

(5)

3.4 計(jì)算灰熵關(guān)聯(lián)密度

(6)

Ph稱(chēng)為分布的密度值。

3.5 計(jì)算灰關(guān)聯(lián)熵

(7)

3.6 計(jì)算灰熵關(guān)聯(lián)度

各比較序列的灰熵關(guān)聯(lián)度定義為：

E(xi)=Hjh/Hm

(8)

式中，Hm=lnn，n是屬性元素個(gè)數(shù)。

3.7 關(guān)鍵影響因素分析

由灰關(guān)聯(lián)熵關(guān)聯(lián)度的計(jì)算得出序列的排序準(zhǔn)則：比較列的熵關(guān)聯(lián)度越大，則比較列與參考列的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，從而找出影響參考序列的關(guān)鍵因素，進(jìn)行關(guān)鍵影響因素分析。

4 影響因素的灰熵計(jì)算分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以瀝青層底剪應(yīng)力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)Xa，選取的影響因素分別為聚酯玻纖布模量X1，聚酯玻纖布厚度X2，層間粘結(jié)系數(shù)X3，面層模量X4，基層模量X5?；异胤治龅脑紨?shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

4.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)由式1-7計(jì)算灰關(guān)聯(lián)熵，結(jié)果如下：Ha1=2.260；Ha2=2.253；Ha3=2.272；Ha4=2.243；Ha5=2.289。

表2 荷載作用下灰熵分析原始數(shù)據(jù)表

4.3 關(guān)鍵影響因素分析

圖8為不同影響因素的灰熵關(guān)聯(lián)度圖，由圖8可以看出，各影響因素中，基層模量和粘結(jié)系數(shù)的灰熵關(guān)聯(lián)度較大，分別為1.422和1.414，可見(jiàn)基層模量和層間粘結(jié)系數(shù)是聚酯玻纖布防裂性能的關(guān)鍵因素。因此在施工過(guò)程中，要保證好基層模量和層間粘結(jié)系數(shù)的值，使聚酯玻纖布發(fā)揮最佳的防裂效果。

圖8 各影響因素的灰熵關(guān)聯(lián)度Fig.8 Grey entropy correlation degree of each influencing factor

5 結(jié) 論

1.通過(guò)分析聚酯纖維與玻璃纖維各自的特點(diǎn)，分析了聚酯玻纖布良好性能的原因。

2.經(jīng)過(guò)有限元模擬得出了聚酯玻纖布夾層模量、聚酯玻纖布厚度、層間粘結(jié)系數(shù)、面層模量、基層模量與瀝青面層層底剪應(yīng)力的關(guān)系圖。

3.通過(guò)灰關(guān)聯(lián)熵分析，得出道路基層模量和層間黏結(jié)性能是聚酯玻纖布防裂效果的重要影響因素，為提高道路的防裂性能提出一種新的思路。

[1] 胡學(xué)亮.聚酯玻纖布防治半剛性基層瀝青路面反射裂縫的機(jī)理研究[D]. 重慶交通大學(xué)碩士論文,唐伯明,重慶,2009， 4.

[2] Sam-Deok Cho,Dae-Young Lee,Nam-Ho Kim. Effect of the Crack Prevention of Asphalt Pavement using Geosynthetics[J]. Geocongre-ss, 2006, 3(3): 1～6.

[3] 倪富健,尹應(yīng)梅.聚酯玻纖布復(fù)合瀝青混合料疲勞性能[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2005, 5(3): 31～35.

[4] Yi Chaojue,ZhaiPengcheng. Application of Fiberglass-Polyester Paving Mat in engineering[J]. Advanced Materials Research, 2012, 485～489.

[5] Ni Fujian,Yin Yingmei,et al. Simulation Test of Polyester Fiber deployment lab reflective crack[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2007, 37(1): 128～131.

[6] 陳冷,毛衛(wèi)民,D.Raabe,陳楠. 聚對(duì)苯二甲酸乙二酯軋制及加熱過(guò)程中的織構(gòu)研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 23(5): 473～477.

[7] 安軍,劉佑習(xí). 玻璃纖維增強(qiáng)PET工程塑料性能及界面研究[J].高分子材料科學(xué)與工程, 1996,12(5): 83～87.

[8] Leonard, L.W.H,Wong, K.J,Low, K.O. Fracture behaviour of glass fibre-reinforced polyester composite[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2009, 223(2): 83～89.

[9] 祝斯月,陳拴發(fā),等. 基于灰關(guān)聯(lián)熵分析法的高粘改性瀝青關(guān)鍵指標(biāo)[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 32(6): 863～867.

[10] 鄧聚龍. 灰色系統(tǒng)理論教程[M]. 武漢:華中理工大學(xué)出版社, 1990.

[11] 張岐山,郭喜江,鄧聚龍. 灰關(guān)聯(lián)熵分析法[J]. 系統(tǒng)理論工程與實(shí)踐, 1996, 16(8): 7～11.

[12] 韋剛,楊文軍,戰(zhàn)琦琦. 加鋪層防裂材料使用效果影響參數(shù)的灰熵分析[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 29(2): 207～210.