沥青混合料动态黏弹性的分数阶微分本构模型

为准确描述沥青混合料的动态黏弹性力学行为,在分数阶微分Zener模型(FDZ模型)的基础上,提出了一种改进的分数阶微分Zener模型(mFDZ模型),给出了频域内动态模量、存储模量、损耗模量和损耗正切等动态黏弹性能表达式,它们满足Kronig-kramers关系。mFDZ模型参数通过两步确定,一是结合不同温度和加载频率下沥青混合料的复模量试验结果,通过Wicket图给出了mFDZ模型中与温度无关的模型参数,二是利用时间-温度等效原理与WLF方程确定了与温度相关的模型参数,同时得到了沥青混合料动态黏弹性能主曲线。将mFDZ模型与FDZ模型和Sigmoid函数经验模型进行比较,结果表明:传统Sigmoid函数经验模型和FDZ模型只能描述具有对称性的动态黏弹特性,而mFDZ模型能够准确描述沥青混合料的动态黏弹性能的非对称特性,且模型与试验结果吻合良好,克服了传统Sigmoid函数经验模型和FDZ模型的不足,为沥青混合料动态黏弹性力学行为的本构描述提供了新的思路与参考。     

基于统计损伤理论的沥青混合料的蠕变模型

将修正的Burgers模型看成是Van Der Pool模型与一个非线性黏壶串联而成,认为材料损伤演化过程只是导致模型中串联黏壶的黏度降低,其他3个元件并没有受到损伤;用Weibull函数来描述沥青混合料内部缺陷的分布,从统计学的角度出发建立了损伤演化方程,将损伤引入修正的Burgers模型的非线性黏壶,建立了沥青混合料的黏弹性损伤模型;给出了蠕变应变、蠕变速度和蠕变加速度的解析表达式,证明了该模型能很好地反映沥青混合料三阶段的蠕变特性;最后通过两个试验算例验证了模型的准确性和适用性.研究结果表明,只考虑串联黏壶的损伤不仅较以往的蠕变损伤模型更加简单,而且能很好地反映实验结果,最重要的是这种处理有了更合理的理论根据.     

沥青混合料动态黏弹性分数阶导数模型

为了更加精确、全面地表征沥青混合料的动态黏弹性力学特性,基于四参数分数阶导数Zener模型(FDZ)分配微分算子后,分别得到修改五参数分数阶导数模型(MFPFD)和改进五参数分数阶导数模型(IFPFD)的本构方程,并进一步得到了模型的复数模量解析表达式。将复数模量分离实部和虚部得到存储模量、损失模量及损耗因子的系数解析表达式。采用LARE目标函数,基于时温等效原理,构造了3个模型的黏弹函数主曲线,通过拟合优度和目标函数最优值评价模型拟合的效果,并对2种分数阶导数模型进行了对比。研究结果表明：FDZ模型和MFPFD模型黏弹函数呈现相似的性质,说明FDZ模型分配微分算子后黏弹函数的特性未发生变化;IFPFD模型采用1套参数即可较好地表征沥青混合料的所有动态黏弹函数,如存储模量、损失模量、相位角、动态模量、损耗因子及Cole-cole曲线,满足Kramers-Kronig关系;与FDZ模型相比,IFPFD模型增加模型参数β,能够更好地描述损失模量的峰宽和其他黏弹函数的非对称特征。最后,IFPFD模型的参数具有一定的物理意义,而根据数值优化所得的模型参数,能确定参考温度下动态黏弹性分数阶导数的微分方程,且分数阶微分本构方程较为简单,研究结果可为沥青混合料设计和路面动力学分析提供新的思路。     

PCF抗车辙剂改性沥青混合料性能评价与蠕变特性研究

以PR抗车辙剂为对照,对PCF改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性进行试验研究。利用单轴静态蠕变试验对掺加不同抗车辙剂沥青混合料的蠕变特性进行分析,通过Burgers模型对混合料的蠕变曲线进行非线性拟合,进而得到混合料的黏弹性参数,并以此结合有限差分法建立了较为可靠的单轴静态蠕变试验模型。     

玄武岩纤维高粘沥青砂蠕变损伤模型的研究

研究表明纤维可以增强沥青混合料的路用性能[1-2]。首先通过蠕变试验验证了玄武岩纤维增强沥青混合料抵抗蠕变变形的能力,然后使用基于Kachanov损伤机制和Burges模型进行耦合得到的蠕变损伤模型对得到的蠕变曲线进行拟合得到相关参数,结果显示拟合效果良好,说明该模型可以很好地描述蠕变三阶段曲线;最后对比分析了两种试件的延迟时间和松弛时间。     

沥青砂蠕变特性及力学模型研究

进行了沥青砂试样在40℃温度,不同应力水平(0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa和0.3 MPa)下的单轴压缩蠕变试验,分析了其蠕变特性,提出了一个完整描述沥青砂整个蠕变阶段的粘-弹-塑力学模型,该模型由反映弹塑性、粘弹性和粘塑性变形的3个子模型串联构成,通过对粘塑性子模型中粘性系数进行改进,理论推导了模型本构方程.为求得模型参数,编制了非线性拟合程序,得到了参数与加载应力函数关系.进行模型预测与试验结果对比,结果表明,该模型描述了试样在不同应力水平下蠕变变形的3个阶段,能够反映沥青砂粘-弹-塑变形特点.     

沥青混合料永久变形黏弹性力学模型通用性研究

为了拓展沥青混合料永久变形黏弹性力学模型的适用宽度,满足不同温度区间和应力水平的要求,实现在全温域条件下沥青混合料永久变形预估,对6种典型沥青混合料进行了三轴重复荷载蠕变试验,研究不同温度和不同应力水平下的永久变形规律;构建了考虑行车荷载存在间隙期的重复荷载作用下沥青混合料黏弹性力学模型;建立了温度、偏应力与重复荷载作用下沥青混合料黏弹性力学模型参数关系方程并进行了修正。研究结果表明:沥青混合料在低温、中温、高温不同阶段表现出不同的永久变形特性,从全温域角度考虑沥青混合料永久变形发展规律更加符合实际状况;温度、轴载大小和荷载作用次数对沥青混合料的永久变形均有着较大的影响,且三者存在着等效关系;重复荷载作用下沥青混合料永久变形黏弹性力学模型参数拟合及参数与温度、偏应力的关系方程拟合的效果良好,均大于90%以上,提高了沥青混合料永久变形黏弹性力学模型的通用性。同时,确定了不同温度的平均修正系数,使永久应变计算结果更加准确。     

沥青混合料粘弹特性分析

选择沥青混合料AC-13C,通过UTM进行室内静态蠕变试验,用线粘弹本构模型Burgers模型进行粘弹特性分析,并通过构建经验的双曲线和幂函数进行数据拟合,发现尽管Burgers模型物理意义比较清晰,但其精度较经验本构模型低。因而在对于描述沥青混合料本构特点时,经验本构方程是比较适用的。     

灰色预测方法在沥青混合料永久变形研究中的应用

通过高温下沥青混合料蠕变试验发现,加载30min时滞后弹性变形基本完成,可以近似认为其后发生的变形为粘性变形,从而利用灰色预测模型,对加载过程中30min至60min的变形数据进行逆向拟合,得到整个加载过程中的永久变形方程。然后利用坐标变换,得到了时间序列下沥青混合料的永久变形规律。相比于常规的数据拟合方法,由于采用了加载后段的数据进行拟合,避免了开始加载过程中虚假变形的影响,使得拟合的结果更加准确。     

ECA-10型沥青混合料动态性能研究

为了确定ECA-10型沥青混合料的动态性能,采用简单性能试验仪进行动态模量试验和动态蠕变试验,运用时温等效原理和修正Burgers模型分别构建了ECA-10型沥青混合料的动态模量主曲线和黏弹性力学模型。研究结果表明:相同温度和加载频率下,ECA-10型沥青混合料动态模量普遍较高,抗变形能力较强;依据Sigmoidal函数方程,建立了参考温度为20℃时ECA-10型沥青混合料的动态模量主曲线,线簇光滑连续,具有较高的拟合度。在相同荷载作用次数下,ECA-10型沥青混合料随着温度或偏应力的增大,其动态蠕变逐渐增大。建立了重复荷载作用下ECA-10型沥青混合料黏弹性力学模型,相关性系数在0.98以上,其拟合结果与实测结果吻合较好。