基于耗散能的老化沥青疲劳寿命预估模型分析

为了研究老化沥青疲劳性能,以70~#基质沥青和SBS改性沥青作为研究对象,以累积耗散能为评价指标,研究了老化对沥青疲劳寿命的影响,建立了老化沥青疲劳寿命预估方程,分析了应力控制和应变控制加载模式下疲劳寿命预估方程的适用性。首先将70~#基质沥青和SBS改性沥青进行旋转薄膜烘箱加热试验(RTFOT),使沥青发生老化,然后采用动态剪切流变仪在应力控制和应变控制加载模式下对不同老化程度的沥青进行时间扫描试验,通过耗散能随加载次数变化关系确定沥青疲劳寿命。基于累积耗散能建立应力加载控制模式下沥青疲劳寿命预估方程,并采用预估方程计算应变控制加载模式下的累积耗散能,检验预估方程的适用性。结果表明:累积耗散能随着荷载作用次数增加呈线性积累,当累积超过沥青疲劳破坏阈值时,发生疲劳破坏;经RTFOT老化后的70~#基质沥青和SBS改性沥青疲劳寿命与累积耗散能具有较好的双对数线性关系(R0.8);当采用应力加载模式下获得的沥青疲劳寿命预估模型分析应变加载模式下沥青疲劳性能时,70~#基质沥青和SBS改性沥青累积耗散能计算值与实测值之间的误差大多在10%以内,可认为基于累积耗散能建立的沥青疲劳寿命预估方程不受加载模式的影响。     

再生胶/SBS复合改性沥青再生混凝土抗裂性能研究

为提高再生沥青混合料的抗裂特性,提出采用抗裂性能优良的新型SBS/橡胶复合改性沥青进行RAP料的再生。基于低温弯曲小梁蠕变、约束温度应力及四点弯曲疲劳试验对复合改性沥青、SBS改性沥青的再生混合料进行低温抗裂及疲劳开裂性能研究。结果表明：橡胶的加入可提高再生沥青混凝土的低温及中温抗裂性能,这可能与混合料开裂初期形成的微裂纹扩展至聚合物网络被吸收断裂能量,抑制微裂纹进一步发展有关。进一步分析断裂温度可知,复合改性沥青再生沥青混合料较普通SBS改性沥青的再生混合料可延伸路面的服役温度范围6℃左右,有利于再生沥青混合料在西北寒冷地区的推广应用。     

基于DSR时间扫描的沥青常应力疲劳演化规律分析

为了研究沥青疲劳特性在常应力模式下的演变规律,采用动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer,DSR),在应力控制模式下对70#基质沥青和SBS改性沥青进行时间扫描试验,获得复数剪切模量(G*)、耗散能变化率(DR)和累计耗散能比(DER)3种物理指标随荷载作用次数的变化曲线,通过分析3种曲线变化规律确定沥青疲劳寿命:(1)G*值下降到初始值50%时对应的荷载作用次数(NG*);(2)DR-N曲线转折点对应的加载次数(NDR);(3)DER-N曲线转折点(70#基质沥青)和曲线偏离DER=N直线20%时(SBS改性沥青)对应的加载次数(NDER),并建立沥青疲劳破坏方程。结果表明:NG*处于复数剪切模量加速下降阶段,而NDR和NDER处于沥青缓慢破坏和加速破坏转折阶段,NG*是根据经验所确定,而NDR和NDER是根据曲线转折点定义,物理意义明确;70#基质沥青和SBS改性沥青疲劳寿命(NG*、NDR和NDER)与应力在双对数坐标中表现出良好的线性关系;70#基质沥青疲劳破坏规律性强,疲劳曲线有明显的转折点,能明确定义沥青疲劳寿命;而改性沥青由于改性剂的作用,沥青弹性恢复能力增强,沥青疲劳曲线变化规律不明显;相同分析方法下,SBS改性沥青疲劳寿命明显优于70#基质沥青;随着加载应力提高,两种沥青的疲劳寿命均下降。     

纳米碳酸钙/二氧化钛与SBS复合改性沥青流变性能研究

利用高速剪切法制备纳米CaCO3/TiO2/SBS复合改性沥青,采用正交试验,通过常规性能试验确定复合改性沥青中3种改性剂的最佳配比,并对比分析了基质沥青、SBS改性沥青和复合改性沥青高温和低温时的流变性能.结果 显示:复合改性沥青中改性剂的最佳配比为:1％纳米TiO2 +4％纳米CaCO3 +4％ SBS;与基质沥青和SBS改性沥青相比,复合改性沥青具有更好的高温抗车辙能力,但耐疲劳性能低于SBS改性沥青;复合改性沥青的施工温度比基质沥青和SBS改性沥青分别高20℃和5℃;复合改性沥青的低温性能优于基质沥青,但比SBS改性沥青的低温性能差.     

温拌沥青混合料疲劳分析

采用耗散能法和现象法,分析温拌剂对沥青混合料疲劳寿命的影响。结果表明:在基质沥青混合料中加入EV温拌剂后,其疲劳性能总体变好;在基质沥青混合料中加入RH温拌剂后,其总体疲劳性能变差;在SBS改性沥青混合料中加入EV温拌剂后,其在高应变水平下的疲劳性能有所下降,但与热拌混合料疲劳性能相差不多。     

沥青及其混合料自愈合性能试验研究

为了对比分析基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青的自愈合性能,并研究沥青种类、愈合环境、破坏程度对混合料疲劳-自愈合进程的影响。通过DSR(动态剪切流变仪)的Time-Sweep(时间扫描)模式测试了沥青复数剪切模量随加载次数的变化,采用愈合指数HI评价沥青的自愈合能力;利用DSC(差示扫描量热仪)测试沥青相态转变过程中的焓变;基于四点弯曲疲劳试验测试了混合料劲度模量随加载次数的变化。研究结果表明:从流变性角度分析,橡胶改性沥青的自愈合性能最好,SBS改性沥青次之,基质沥青最差,随着损伤度的增大,以上3种沥青的自愈合指数呈下降趋势;从分子扩散角度考虑,基质沥青的自愈合能力最小,基质沥青愈合裂缝的能力优于SBS改性沥青及橡胶改性沥青。沥青类型及愈合环境对混合料的愈合进程具有重要影响,提高愈合环境的温度可以加速混合料的愈合,破坏程度的增加对混合料的自愈合具有负面影响。     

SBS-SBR 复合改性沥青黏弹特性研究

采用物理共混方法制备SBS改性沥青、SBR改性沥青和SBS-SBR复合改性沥青，基于动态剪切流变仪(DSR)测试沥青在温度扫描模式下的复数模量和相位角，评价沥青的高温性能；采用多应力蠕变恢复试验(MSCR)测试沥青在蠕变加载过程中的应力响应特征，最后基于BBR试验评价沥青的低温性能。结果表明:在沥青中掺入SBS和SBR能够大幅提高沥青的高温抗变形能力，疲劳极限温度能够表征沥青的抗疲劳性能，沥青的粘性特征和疲劳性能具有相关性，基质沥青在高温下具有良好的疲劳特性；MSCR试验结果表明，改性沥青具有显著的弹性恢复特性，沥青的可恢复变形随着应力的增大逐渐降低；低温梁流变试验(BBR)结果显示，掺入SBS与SBR能够提高沥青在低温下的应力松弛能力和抗裂性能。     

温拌剂对沥青及沥青混合料性能的影响研究

基于自主开发的温拌剂,在针入度分级体系、SHRP沥青性能分级体系、粘度分级体系下对基质沥青、SBS改性沥青及胶粉改性沥青的性能影响进行了研究;研究了基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料及胶粉改性沥青混合料的施工温度,并进行了路用性能验证,结果表明:温拌沥青混合料的高温性能及疲劳性能优于相应的热拌沥青混合料;低温性能和水稳定性能与热拌沥青混合料相当。     

废食用油脱硫胶粉/SBS复合改性沥青混合料的路用性能评价

针对橡胶沥青存贮稳定性差与生物沥青高温性能不足问题,基于Terminal Blend胶粉改性沥青技术,提出以废食用油代替沥青脱硫胶粉,用脱硫产物(ODR)制备存贮稳定的改性沥青,为弥补ODR改性沥青高温性能损伤,采用共混复合改性工艺研制了ODR/SBS复合改性沥青。为考察复合改性沥青在工程应用中的可行性,通过车辙试验、弯曲试验、冻融劈裂试验和疲劳试验对该混合料路用性能进行了评价,并与普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料和ODR改性沥青混合料进行了对比分析。结果表明:1)复合改性沥青具有优异的高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害以及疲劳性能,但因ODR削弱了沥青的抗变形能力,其车辙深度较SBS改性沥青混合料深,且冻融前后劈裂强度较低; 2)单独采用SBS或ODR改性沥青与二者复合改性对混合料疲劳性能影响差异较大,ODR/SBS复合改性沥青混合料的疲劳性能并非二者单独作用下的线性叠加。     

HM-I/SBS复合改性高模量沥青混合料性能研究

HM-I（复合高模量剂）/SBS复合改性沥青综合了高模量沥青与SBS改性沥青的优势，能显著提升混合料的高温性能。采用残留稳定试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验、车辙试验、四点弯曲疲劳试验及动态模量试验，分析HM-I/SBS复合改性高模量沥青混合料的路用性能及动态力学性能，并与基质沥青+硬质沥青颗粒及HM-I/基质沥青所制备的混合料进行对比。结果表明，HM-I/SBS复合改性高模量沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性、抗疲劳性能及动态模量值更为优异，且各项技术指标均满足高模量沥青混合料的需求。     

DCLR改性沥青的流变力学性质

为研究煤直接液化残渣（DCLR）改性沥青的流变力学性质并评价其改性效果,采用动态剪切流变仪对90^#基质沥青（改性前）和DCLR改性沥青（改性后）进行温度频率扫描试验、多重应力蠕变恢复（MSCR）试验和不同应力水平下的时间扫描试验,分别评价其强度、抵抗永久变形的能力和抵抗疲劳开裂的能力。结果表明：DCLR改性沥青在低频范围（10^-3～10³ rad·s^-1）内的动态剪切模量大于90^#基质沥青,在高频范围（10³～10⁶ rad·s^-1）内的动态剪切模量略小于90^#基质沥青,整体上DCLR改性沥青的强度高于90^#基质沥青,且在同一频率范围内其动态剪切模量变化幅度变小,说明改性后其温度敏感性降低;通过对比DCLR改性沥青和90^#基质沥青在不同温度下的未恢复蠕变柔量和恢复率,发现同一温度下DCLR改性沥青的未恢复蠕变柔量均低于90^#基质沥青,恢复率均高于90^#基质沥青,说明DCLR改性沥青抵抗永久变形的能力和变形恢复的能力相较于90^#基质沥青有显著提高;通过对比分析这2种沥青在不同应力水平下的疲劳寿命,发现DCLR改性沥青的疲劳寿命显著高于90^#基质沥青,证明其抵抗疲劳开裂的能力相较于90^#基质沥青更好,这2种沥青的疲劳寿命随应力水平的变化规律均能采用幂函数进行拟合,且拟合效果良好。     

煤制油渣对沥青高温-疲劳流变性能的影响研究

采用多重应力蠕变恢复(MSCR)试验、频率扫描(FS)试验、线性振幅扫描(LAS)试验研究煤制油渣对沥青高温性能与疲劳性能的影响。试验结果表明:煤制油渣可以有效降低沥青的不可恢复柔量J_nr,显著提高沥青的高温抗车辙能力及交通适用等级,且当煤制油渣掺量较低时,对沥青高温性能的改善效果较为明显;煤制油渣对沥青恢复率R的改善程度甚微,整体处于较低水平,蠕变类型仍以粘性流动为主;沥青的复数剪切模量G^*与相位角δ的主曲线分别随着煤制油渣掺量的增加而呈现出逐渐增加与减小趋势,由此表明煤制油渣有助于提高沥青的高温抗变形能力;LAS试验结果显示煤制油渣改性沥青出现局部应力突变现象,随着掺量的增加,最大应力值增幅明显,而破坏应变则逐渐减小;针对厚层沥青路面(预估应变水平γmax=2.5%),煤制油渣改性沥青的疲劳寿命N_f随着掺量的增加而增加,但当掺量达到10%后,N_f的增速则变缓;针对薄层沥青路面(预估应变水平γmax=5%),10%掺量的煤制油渣改性沥青具有最优的疲劳性能。根据各项评价指标的试验结果,得出煤制油渣的最佳掺量为10%。     

基于热分析与低温光谱的沥青热可逆老化机理

为了研究沥青胶结料在恒定低温储存过程中产生的热可逆老化机理,运用调制式差示扫描量热分析(MDSC)和低温红外光谱(LT-FTIR)技术对沥青胶结料热信号与红外光谱的热历史依赖性进行了试验分析,以确定2种不同分子量的线性饱和链烃(C₂₀H₄₂和C₃₂H₆₆)对热可逆老化的贡献。研究结果表明:沥青恒定低温硬化并非所有沥青的固有特性,存在不受恒定低温热历史影响的沥青胶结料;低分子量的饱和长链烷烃(石蜡)因其与沥青具有较好的相容性,会通过扩散的方式随着恒定低温时间的延长逐渐从沥青基体中析出,从而导致沥青的恒温硬化现象;由于高分子量的饱和长链烷烃与研究采用的沥青在相同条件下相容性差,其石蜡与沥青的二相分离结构并没有随着恒定低温时间的延长产生明显的变化。与热分析相比,低温红外光谱技术可在较低的降温速率下直接用于测试固态沥青中的石蜡分子单元而不会产生热滞后效应。石蜡的结晶会导致红外光谱在735~715 cm^-1处形成吸收峰,且吸收峰信号随温度降低而增强。沥青中的石蜡初期(0~8 h)析出较快,随着时间延长,析出速率放缓,持续时间可长达72 h。通过试验的直接观测,确定了沥青中低分子量石蜡的持续析出或沉淀是导致所用胶结料热可逆老化的根本原因。     

基于原子力显微镜的沥青微观损伤机理分析

为揭示微观尺度下沥青的损伤机理，采用原子力显微镜（AFM）对基质沥青及SBS改性沥青进行了测试分析。首先设计了一款AFM原位拉伸试验装置；然后，结合AFM原位拉伸试验测试了拉伸荷载作用下沥青表面不同微观结构及其力学性能；基于形貌测试结果和ABAQUS软件建立了沥青的二维有限元模型，分析了拉伸荷载作用下沥青表面的应力分布；最后，结合AFM测试结果和有限元模拟结果分析了沥青的微观损伤机理。研究结果表明：所研究的基质沥青表面存在3种微观结构，即蜂状结构、蜂壳结构和间隙结构，SBS改性沥青无明显蜂壳结构；间隙结构抗变形能力最弱，蜂状结构抗变形能力最强；SBS改性剂的加入降低了沥青表面的应力，且使应力分布更均匀；拉伸荷载作用下，沥青表面会出现相分离，随着荷载增大相分离现象加剧，相分离出现在沥青表面应力最大处；拉伸荷载作用下沥青的损伤演化过程中，沥青应力较大的间隙结构首先出现相分离，随着荷载增加，相分离不断加剧直至微裂纹产生。     

粗集料接触参数对沥青混合料损伤演化的影响

为了揭示沥青混合料内部细观损伤对宏观性能的影响，基于DIC方法与四点弯曲疲劳试验，对不同粗集料接触状态的混合料细观损伤尺度效应进行研究。首先以颗粒堆积理论与粒子干涉理论为基础，提出可表征细观主骨架结构状态的颗粒接触主力链配位参数（n_pfc）计算方法。采用SAC设计方法，通过控制关键筛孔2.36~4.75 mm的分计筛余质量百分比，设计4组可反映不同粒径尺寸集料组合形式的SAC16级配（B60S00~B60S15），计算不同级配沥青混合料对应的npfc。其次，结合DIC方法与四点弯曲疲劳试验，分析疲劳荷载作用下沥青混合料小梁试件水平应变场演化特征，并提出混合料疲劳损伤因子定量分析方法。最后对不同粗集料接触参数的沥青混合料的细观损伤演化特征、疲劳损伤因子D_FD及表征宏观抗疲劳性能的K_m进行分析。研究结果表明：随着疲劳荷载作用次数的增加，4种不同n_pfc混合料的水平应变量逐渐增大，各D_FD也均显著增加；随着n_pfc的增大，D_FD明显减小，当n_pfc=7.73~9.55时，D_FD较小，混合料的疲劳细观尺度损伤叠加效应较小；同时，随着n_pfc增加，K_m呈先增大后略微减小的趋势；当n_pfc=7.73~9.55时，对应的宏观抗疲劳性能较好；因此，选取合理的n_pfc可优化沥青混合料内部主骨架细观结构状态，减少细观尺度损伤叠加效应影响，提高沥青混合料的宏观抗疲劳性能。     

生物油再生沥青胶结料路用性能分析

为研究生物油再生沥青胶结料的路用性能，分析比较了基质沥青与生物油再生沥青胶结料的流变性质与化学特性。首先通过三大指标与黏度测试确定生物油在老化沥青中的最佳掺量；之后重点分析最佳生物油掺量下再生沥青与基质沥青的高温与疲劳性能，高温性能通过多应力蠕变回复试验（MSCR）测试，疲劳性能通过DSR时间扫描测试；最后利用红外光谱（FTIR）和凝胶渗透色谱（GPC）测试分析2种沥青的化学特性。研究结果表明：10%生物油可恢复老化沥青针入度与延度至基质沥青水平；基质沥青与10%生物油再生沥青的PG分级分别为PG64-16与PG70-16；MSCR结果表明再生沥青相比基质沥青具有较好的高温性能；N_f50指标表明再生沥青的抗疲劳性能较基质沥青胶结料更好，因为2种沥青模量相近，再生沥青的弹性组分含量更高；FTIR结果表明生物油稀释了老化沥青中高极性的亚砜基；GPC结果表明生物油降低了老化沥青中的大分子和小分子含量，改善了老化沥青分子量分散度。生物油改善了老化沥青的路用性能和化学特性，是一种较有潜力的沥青再生剂。     

沥青结合料裂化装置试验

低温热裂化是沥青路面损坏的一个主要原因。每年交通主管部门都要下拨数量可观的经费用于修复或更换开裂部分的路面,但是根据气候环境合理地评估沥青结合料并加以处理可以最大限度地降低热开裂导致的路面过早损坏。     

聚氨酯前驱体基化学改性沥青及其改性机理

环保耐久材料的研究与应用对实现道路工程可持续发展具有重大的意义,采用以异氰酸酯为活性官能团的聚氨酯前驱体基反应型改性剂（PRM）制备改性沥青在环境保护和性能提升方面展现出了显著价值。采用"微观-介观-宏观"的跨尺度表征方法,对PRM改性机制进行了详细分析。通过与SBS改性沥青进行对照,评价了PRM改性沥青的流变学性能和抗热氧老化性能,明确了PRM改性沥青混合料的路用性能。研究结果表明：PRM改性过程存在明显化学变化,依托于改性过程中生成的氨基甲酸酯和脲等官能团,能够在沥青内部建立基于沥青质组分的共价交联网络结构。这一过程不仅促使沥青组分发生选择性聚集和沥青质重新构型,同时增大了沥青的表面自由能,从而获得更加稳定的内部结构。PRM改性沥青较基质沥青温度敏感性有所降低,展现出了良好的抵抗高温永久变形、抵抗疲劳破坏、抵抗低温开裂和抵抗热氧老化的能力。与SBS改性沥青相比,PRM在提升沥青高温性能、抗疲劳性能和抗热氧老化性能方面具有明显优势,并有望将改性沥青生产温度降低至140℃~150℃。结合沥青混合料路用性能测试结果,2.5%改性剂掺量PRM改性沥青混合料展现了与4%改性剂掺量SBS改性沥青混合料相当的低温性能、更好的高温性能和水稳定性能,PRM在提升沥青混合料路用性能方面具有显著优势。     

道路沥青老化评价方法研究进展

沥青是路面工程中常用的筑路材料之一,被广泛应用于中国高速公路和城镇道路中。在路面服役过程中,沥青材料会出现硬化变脆等老化现象,显著影响了路面的运营品质及服役寿命。为了进一步促进道路沥青老化评价方法研究的发展,以宏观性能测试、微观结构探测和数值模拟技术等老化评价方法为脉络,比较了各类评价方法的所属尺度和应用优劣。研究结果表明:现行的沥青热氧老化室内研究方法并不能很好地反映沥青的长期服役耐久性,而紫外老化的室内研究方法更加亟需标准化和规范化;紫外老化和热氧老化的差异在于化学键断裂机制不同,热氧老化主要是由于高温热分解导致化学键断裂,而紫外老化的引发是由于分子内所含的基团吸收了具有能量的紫外线,导致化学键发生断裂;宏观性能测试是构建沥青老化与性能衰退联系的直接研究途径,2类老化类型的宏观性能测试方法和评价指标不能完成等同和替换;荧光显微镜、原子力显微镜、傅里叶红外光谱等微观探测技术能够定性或者定量分析沥青的老化过程和改性剂的老化响应;采用分子动力学模拟和细观力学模型既能继承利用微观研究的精确结论,又可与宏观力学试验建立关联性,对沥青的老化过程进行数值表征,其研究结果能够为其微观演化规律和宏观性能特性提供参考;在实际沥青路面使用中,紫外老化和热氧老化是并行存在的,基于室外沥青路面老化监测的多因素复合老化应是沥青室内老化模拟研究的重点;融合多层次老化评价指标和数值模拟技术,建立多尺度沥青老化动态仿真模拟是沥青材料与数值模拟交叉应用的主要研究方向。     

基于统计损伤理论的沥青路面疲劳失效过程分析

基于应变等价性假设,并结合统计损伤理论,建立了模拟沥青路面在载荷下变形过程的损伤本构模型。其次,在该本构模型的基础上,分析了路面变形过程中强度退化特性及疲劳失效条件,并进一步推导了在疲劳载荷下路面材料失效的判据,最后,通过分析表明本文方法的合理性与可行性。