三维应力状态下沥青混合料动态模量归一化

沥青混合料的动态模量是路面力学响应分析和结构设计的重要参数之一。为客观表征不同应力状态、试验温度及加载频率等试验条件对沥青混合料动态模量的影响规律，建立复杂服役条件下沥青混合料的动态模量预估模型，揭示沥青混合料动态模量的服役状态相关性。首先开展了不同温度、不同加载速率下沥青混合料的单轴压缩、间接拉伸及直接拉伸强度试验，揭示了不同温度下沥青混合料强度随加载速率的幂函数变化规律，为模量试验应力比的确定提供了依据。进而据此开展了不同温度与不同加载频率下沥青混合料的单轴压缩、间接拉伸及直接拉伸动态模量试验，提出了以等效应力比表征三维应力状态下模量试验应力比的沥青混合料动态模量分析方法，并基于时-温等效原理，采用Sigmoidal函数，建立了基于三维应力状态下等效应力比的动态模量归一化预估模型，实现了不同试验方法下沥青混合料动态模量的统一表征。研究结果表明：不同试验温度与应力状态下沥青混合料的强度均随加载速率的增大而增大，基于等效应力比表征的三维应力状态下模量试验应力比可实现不同试验条件下沥青混合料动态模量的统一表征，避免了路面结构设计时人为选取材料模量设计参数导致的设计结果不确定性。研究可为提...     

特立尼达湖沥青(TLA)改性沥青混合料的动态模量试验研究

在不同温度、加载频率和侧向应力条件下,选取工程常用的AC-13和AC-20混合料,采用SPT试验仪对TLA改性沥青混合料的动态模量进行测试。基于西格摩德模型和时温等效原理,生成沥青混合料动态模量主曲线,分析温度、加载频率和侧向应力对沥青混合料动态模量发展态势的影响。研究结果表明:随着加载频率的增大(温度的降低),TLA改性沥青混合料动态模量单调递增,具体表现为逼近-递增-逼近趋势。相对于侧向应力为0kPa时,140kPa围压条件下TLA改性沥青混合料的动态模量增大,且动态模量的感时性(感温性)降低,因此试验参数选取阶段应考虑围压对动态模量的影响;但随着加载频率的增大,围压对TLA改性沥青混合料动态模量的影响显著性降低。高频(低温)区AC-13和AC-20两种TLA改性沥青混合料动态模量基本重合,表明随着加载频率的增大,沥青混合料类型(最大公称粒径)对动态模量影响的显著性降低。     

沥青混合料的动态响应影响因素分析

选择3种沥青混合料进行不同试验条件下的沥青混合料性能试验(AMPT),分析了加载频率及试验温度对沥青混合料黏弹性动态响应的影响;并采用Sigmoidal模型,得到了沥青混合料的动态模量移位因子及模型参数,形成并分析了沥青混合料动态模量和相位角主曲线。结果表明,随着加载频率的升高,沥青混合料的动态模量逐渐增大,但温度越高,增加幅度越小;动态模量随着加载频率增大,在较低的温度下(5℃和15℃)符合对数增长关系,在较高的温度下(45℃和55℃)符合线性增长关系,但超过45℃后,不同加载频率的动态模量差异较小。不同加载频率的相位角最大值对应的温度不同,加载频率越低,对应的温度也越低。动态模量主曲线和移位因子可以较好地描述加载频率和试验温度对沥青混合料黏弹性动态响应的影响。在低温高频状态下,矿料级配对沥青混合料动态模量的贡献较大;而在高温低频状态下,沥青逐渐软化,结合料对混合料动态模量的影响更为显著。     

密级配环氧沥青混凝土动态模量及其主曲线

环氧沥青混凝土是一种成熟的长寿命材料,寿命最长的钢桥面使用超过50年仍保持良好服务状态。动态模量是沥青路面设计重要参数和混合料性能评价指标。为分析长寿命环氧沥青混合料动态模量和相位角对温度和加载频率的依赖性,建立环氧沥青混合料动态模量的主曲线方程,为环氧沥青混凝土性能分析与预测奠定理论基础。本文在测定了环氧沥青混凝土EAC-13不同温度及加载频率条件下的动态模量,并根据时温等效原理,采用非线性拟合方式建立了动态模量主曲线。结果表明,环氧沥青混凝土的动态模量随温度升高及加载频率的降低而减小,仍呈现出典型的粘弹性特性,拟合的动态模量主曲线相关性好,可预测特定加载条件下的动态模量。     

环氧沥青混合料动态模量时温特性

为明确机场道面环氧沥青混合料动态模量的时温特性,对环氧沥青混合料EAC-13进行动态频率扫描试验,测试了6组不同温度、6组不同加载频率下的环氧沥青混合料动态模量,并建立了动态回弹模量时温方程,定义了粘性因子和弹性因子。结果表明:环氧沥青混合料的动态模量对加载频率的敏感性随着温度的升高而升高;动态模量由耗散模量和弹性模量共同构成,数值随着加载频率的变化而大幅波动。当温度升高时,环氧沥青混合料的粘弹性逐渐从弹性向粘性转变。在一定温度范围内,时温方程可以为环氧沥青混凝土道面的动态设计提供材料参数。     

排水沥青混合料动态模量试验研究

动态模量指标能够真实有效的反应环境一车辆一路面系统下的真实特性,通过对PAC-5、PAC-10、PAC-13(细型)、PAC-13(中型)、PAC-13(粗型)5种不同结构参数的排水沥青混合料进行研究分析,比较了5种排水沥青混合料不同加载频率以及不同试验温度条件下的动态模量。结果表明动态模量受温度、加载频率、试验温度的影响,同时在同等试验条件下,不同结构类型的排水沥青混合具有不同的动态模量值。     

基于动态模量试验影响因素的灰关联熵分析

利用混合料动态模量参数计算的路面力学响应能更加接近路面对实际交通荷载的响应,能准确反应和评价实际沥青路面的高温性能。而荷载条件、环境温度、试验条件以及沥青混合料自身性质均会对动态模量试验造成影响。本文利用正交试验设计对不同试验温度、沥青用量、试验围压、加载频率、4.75mm筛余、试件厚度的SMA-16改性沥青混合料进行动态模量试验,分析各因素影响规律;运用灰关联熵分析方法,确定各影响因素与沥青混合料动态模量和相位角的关联程度。研究表明:对混合料动态模量指标影响的相对显著程度为:试验温度沥青用量试验围压加载频率4.75mm筛余试件厚度;对相位角指标的相对显著程度为:试验温度沥青用量加载频率4.75mm筛余试验围压试件厚度。     

环氧沥青混合料动态模量及其主曲线研究

为建立大跨径钢桥面铺装所用的热固性环氧沥青混合料动态模量的主曲线方程,首先采用动态频率扫描试验测试了3组不同温度、11个不同加载频率下的环氧沥青混合料动态模量,然后利用时温等效原理和基因遗传算法对不同温度间的动态模量进行了移位分析,最后采用γ分布函数和指数函数对20℃环氧沥青混合料动态模量主曲线方程和不同温度间的动态模量移位因子公式进行了拟合回归。结果表明:环氧沥青混合料的动态模量随温度的升高而降低,在固定温度下随加载频率的减小而减小;10℃和30℃环氧沥青混合料动态模量移至20℃时的最佳移位因子分别为5.002 256和-3.990 583;环氧沥青混合料动态模量主曲线的建立为大跨径钢桥面铺装动态设计方法的形成提供了材料参数方程。     

SBS和TLA改性沥青AC-13混合料动态模量研究

采用万能材料试验机(MTS),在不同温度和加载频率下对湖沥青(TLA)改性沥青和SBS改性沥青AC-13混合料的动态模量进行测试;基于西格摩德沥青混合料通用方程生成沥青混合料的动态模量主曲线,对TLA和SBS改性沥青混合料的动态模量的时间-温度效应进行研究。结果表明,沥青混合料的动态模量随着试验温度的提高而降低;随着加载频率的增大,沥青混合料的动态模量增大,且动态模量对温度的依耐性减小;SBS改性沥青混合料的高温性能优于TLA改性沥青混合料,两者的低温性能基本持平;在中等加载频率范围,TLA改性沥青混合料对温度的敏感性大。     

橡胶沥青混合料动态模量及其主曲线研究

采用单轴压缩动态模量试验测试了不同油石比橡胶沥青混合料在4组不同试验温度、9个不同荷载频率下的动态模量和相位角,然后根据时温等效原理,通过Sigmoidal函数和非线性最小二乘法拟合确定了混合料动态模量主曲线和不同温度间的平移因子。结果表明:橡胶沥青混合料动态模量随温度升高而降低,随加载频率减小而减小;在最佳油石比时橡胶沥青混合料动态模量最高,高温稳定性最好;参考温度为20℃的动态模量主曲线可以很好地拟合试验数据;动态模量平移因子并不适用于相位角主曲线;动态模量主曲线的建立为路面动态设计方法的形成提供了材料参数方程。     

沥青混合料动态模量Hirsch预测模型的验证研究

动态模量可以描述沥青混合料对温度和荷载频率的敏感性,从而可以客观地反映沥青混合料在路面结构中的行为特性。本文对SMA 13、Superpave 20、Superpave 25和ATB 25等4种沥青混合料分别进行了不同温度和荷载频率下的动态模量试验,并利用DSR对混合料中所用的两种沥青胶结料(普通70号沥青和SBS改性沥青)进行对应温度和荷载频率下的动态剪切模量试验,利用试验结果对动态模量Hirsch预测模型进行了验证研究。研究结果表明利用Hirsch模型预测动态模量的精度较好,只是在高温和低荷载频率时预测偏差较大。     

动荷载作用下的沥青混合料间接拉伸试验参数研究

基于动态测定方法确定的沥青混合料的参数能真实反映沥青混合料对运动车辆荷载的响应,正确表现沥青混合料本身的粘弹性性质的优点。利用英国多功能气动沥青材料试验机Cooper NU-14测定了6种沥青混合料在5、10、15和20℃时的动态间接拉伸试验参数,用二次多项式对试验结果进行了拟合,重点分析了试验温度对动态间接拉伸试验参数的影响。结果表明,6种沥青混合料动态间接拉伸劲度模量值均在一定范围内,而试验荷载、劲度模量与温度回归方程的相关系数均达到0．9812以上,试验荷载与劲度模量回归方程的相关系数均达到0．9986以上。     

沥青混合料模量不同测试方法的比较分析

为了能够准确得到路面沥青混合料的模量,通过弯拉劲度模量试验、劈裂劲度模量试验、单轴压缩动态模量试验以及FWD反算模量等4种不同测试方法,得到了各测试方法对应的模量值及其发展规律,并对沥青混合料的不同模量测试结果进行了比较分析。结果表明,在相同的试验条件下,动态模量最大,其次为弯拉、劈裂模量,反算模量最小。模量值与试验条件也有很大关系,影响模量的试验因素主要有温度和试验加载的频率。温度越高,模量越低;频率越高,模量越大。     

高劲度模量沥青混合料力学性能试验研究

通过测试几种高劲度模量混合料在不同温度下回弹模量、动态模量和劲度模量,比较其高劲度混合料的性能,得出测试的高劲度模量混合料的回弹模量明显高于一般的沥青混合料;掺加一定比例外加剂PR.M可以提高沥青混合料的回弹模量;20℃劲度模量试验结果表明,橡胶沥青混合料劲度模量最高,硬质沥青、SBS改性沥青劲度模量相当,橡胶沥青混合料ARAC20达到了高劲度模量沥青混合料标准。     

环氧沥青混合料的弹性性能预测

环氧沥青混合料的弹性模量和环氧沥青的模量密切相关。为了优化环氧沥青配方设计,采用蒙特卡洛法模拟产生符合实际分布特性的集料模型,设计出了不同集料体分比的数值试验,并获得了环氧沥青混合料弹性性能预测方程。经验证,随着玛蹄脂模量的增长,混合料的模量也随之增长,但增幅逐渐减小;对于相同的玛蹄脂模量,随着集料用量的增加,则混合料的模量也随之增加。环氧沥青混合料弹性模量的预测值与试验值相关性很高,由于混合料模量为弯拉模量,而结合料采用压缩模量,实际预测值较试验值略高,但总的预测结果可以满足工程实际要求。     

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。     

高模量沥青混合料的路用性能评价

为全面分析高模量沥青混合料的路用性能,选取2种高模量添加剂分别形成高模量沥青混合料与普通沥青混合料进行路用性能的对比试验研究,包括水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性及疲劳性能,试验分别为浸水马歌尔试验、车辙试验、弯曲试验及疲劳试验,通过残留稳定度、动稳定度、弯曲应变及疲劳寿命指标来评价及对比3种沥青混合料的路用性能。此外,还测试了3种混合料的动态模量,分析它们变化情况。研究表明：2种高模量沥青混合料比普通沥青混合料有更高的动态模量值、更优越的水稳定性、高温性能及疲劳性能;至于低温性能,则取决于外掺剂的类型。     

不同温度下沥青混合料的抗剪性能及其评价指标

为了分析不同温度下沥青混合料的抗剪性能,选用了SMA-16、Superpave-16、AC-16及AC-13这4种不同的沥青混合料,分别进行不同温度下的单轴贯入实验、APA车辙实验及单轴贯入疲劳试验,采用3种抗剪性能评价指标评价了这4种沥青混合料不同温度下的抗剪性能,同时对沥青混合料的抗剪评价指标的相关性进行了分析。分析结果表明:温度对沥青混合料的抗剪性能影响很大,对沥青混合料进行抗剪性能评价时应充分考虑其温度特性;抗剪强度、APA车辙深度及剪切模量具有很好的相关性。     

移动轴载作用下路面沥青层动态响应模量主曲线研究

路面沥青混合料层的模量是路面设计的必要参数之一，为定量分析现场沥青层的实际模量特性，提出了一种由现场实测应变数据出发，确定沥青层动态响应模量主曲线的方法，实现了对沥青层现场动态特性的精准表达。首先，实测了柔性基层、半刚性基层2类典型沥青路面不同温度及轴载移动速度下的沥青层动态应变响应；其次，以实测应变波形为基础，分析了不同加载工况下的现场沥青层加载频率特征；最后，基于实测应变值，利用有限元模型反演得到沥青层的动态响应模量，结合沥青层加载频率，建立了沥青层动态响应模量主曲线，并进一步对该主曲线的可靠性进行了验证。研究结果表明：沥青层内部加载频率与轴载移动速度呈正比，且与温度正相关；沥青层现场动态响应模量值随温度升高显著减小，随轴载移动速度增大而增大；结合加载频率及响应模量反演结果，可利用Sigmoidal模型很好地拟合得到沥青层响应模量主曲线；验证结果表明，该主曲线可较为准确地预估其他温度及轴载移动速度下的沥青层响应模量值。所提出的确定沥青层动态响应模量主曲线的方法可为其他试验路应变实测数据的处理提供参考。     

基于间接拉伸模式的沥青混合料内部力链分布特征

为了表征沥青混合料在间接拉伸模式下的力链分布特征，成型3种骨架结构沥青混合料的马歇尔试件，以及旋转压实试件和相应3种类型的沥青砂浆静压试件。利用简单性能试验分别测试不同温度条件下沥青混合料和沥青砂浆的动态模量、相位角，在获取沥青混合料旋转压实试件和马歇尔试件截面图像的基础上，结合数字图像处理技术和MATLAB编程，借助离散元方法重构了3种类型沥青混合料的旋转压实和马歇尔数字试件。对旋转压实数字试件进行虚拟简单性能试验，运用反演算法计算数字试件的细观参数，校验细观模型的准确性和合理性。对马歇尔数字试件开展虚拟间接拉伸试验，提取颗粒间接触力力链信息，以力链概率分布和角度分布作为量化指标进行分布特征分析。研究结果表明：利用离散元方法重构的3种骨架结构沥青混合料黏弹性细观模型具有较高的预测精度，动态模量和相位角的实测与预测最大差异分别为9.64%、0.24°；间接拉伸荷载模式下，3种骨架结构沥青混合料的内部法向压力力链概率分布均随f(接触力与平均接触力的比值)的增大而衰减，强力链(f≥1)的概率分布较小，而弱力链(f＜1)的概率分布较大，随着温度的升高，力链的最大概率分布基本呈增大的趋势；不同温度的压力力链角度分布差异较大，呈沿0°-180°水平线和90°-270°垂直线的非对称分布，0°-180°水平线以上分布占主导，随着温度的升高，角度分布均向外延伸，但延伸幅度不大，最大仅为3.954%；不同截面的沥青混合料具有一致的法向力链概率分布和角度分布。研究结果为从细观角度认知沥青混合料的非均匀力学响应及荷载传递演化提供了理论依据。