不同荷载模式下沥青混合料的动态模量依赖模型

为准确地描述沥青混合料动态模量的温度和荷载依赖性,分别开展了不同条件下4种沥青混合料的两点弯拉和三轴围压动态模量试验。基于时温等效原理,采用Boltzmann函数模型建立了基准频率为10 Hz的沥青混合料弯拉和三轴动态模量主曲线,分析了试验方法对沥青混合料动态模量的影响,构建了不同荷载模式下的基于温度和荷载参数的沥青混合料动态模量依赖模型。结果表明:沥青混合料弯拉和三轴动态模量的主曲线整体变化趋势一致,前者对应的温度区间更为狭窄,相同条件下弯拉动态模量小于三轴动态模量,对温度的依赖性更强;在高温区域,沥青混合料动态模量具有显著的荷载依赖性,弯拉和压缩荷载分别起到软化和硬化作用;宽温度域范围内,温度与荷载耦合作用下,沥青混合料的性状将发生线性弹性体-线性黏弹性体-非线性黏弹性体的转变。考虑荷载作用温度敏感区间的沥青混合料弯拉和三轴动态模量依赖模型,拟合效果良好,可靠度高,可较为准确地表征不同受力状态时沥青混合料动态模量的温度和荷载依赖性。通过模型得到的动态模量计算值与试验实测值具有较高的一致性,为获取沥青混合料真实的模量值提供了一种有效途径,后续可用于路面结构计算来验证两种模型的可靠性和适用性。     

沥青混合料动态模量及其变化规律研究

作为一种黏弹性材料,沥青混合料力学响应特征随环境的变化而变化。为了对沥青路面响应进行力学分析,需要对其变化规律进行研究。该文以AC-16沥青混合料的动态模量室内试验数据为基础,对沥青混合料动态模量随荷载频率及试验温度的变化规律进行研究,利用Sigmoidal模型及时温等效原理拟合得到AC-16沥青混合料的动态模量主曲线和位移因子,利用WLF方程得到位移因子随试验温度变化规律的数学模型,最后给出该种沥青混合料动态模量关于试验温度和荷载频率的变化规律,以更好地模拟沥青混合料在不同的温度下随汽车速度变化,其力学响应的变化规律。     

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。     

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。     

透水沥青混合料动态设计参数试验研究

透水沥青混凝土相比于传统沥青混合料具有较大的空隙率和良好的透水性。通过动态模量试验对此类材料黏弹性力学特性进行了研究,并通过非线性拟合确定了其动态模量主曲线的回归参数。通过室内试验比对3种透水沥青混合料的动态模量与相位角在不同温度、不同加载频率下的变化情况,发现相同厚度、采用同一高黏沥青的情况下,空隙率对动态模量具有决定性影响,而相位角受空隙率影响不明显。研究对透水沥青混凝土的设计和工程应用具有一定的指导意义。     

基于动态模量试验的沥青混合料老化性能研究

为研究沥青混合料老化过程中的动态特性,对在不同温度条件下经受不同频率的动荷载的沥青混合料在不同老化期的动态模量进行试验,分析温度和荷载频率对动态模量及相位角的影响,采用车辙因子对沥青混合料的高温稳定性进行评价,并根据时间温度等效原理建立了不同老化程度的动态模量主曲线。研究结果表明：老化沥青混合料的动态模量和相位角具有明显的温度和频率依赖性,老化使沥青混合料动态模量增大,相位角减小。动态模量主曲线研究结果表明老化使沥青混合料的动态模量在整个温度（或频率）范围内变化幅度减小。     

高比例RAP热再生沥青混合料黏弹性试验

为了研究高比例RAP热再生沥青混合料的黏弹性能,采用动态模量试验对其进行性能试验,分析了混合料动态模量|E*|、相位角φ、抗车辙因子|E*|/sinφ等指标随荷载作用频率和温度的变化规律。同时,利用黏弹性材料的"时间—温度等效原理",结合最小二乘法回归了混合料的动态模量主曲线。结果表明:高比例RAP热再生沥青混合料的黏弹性能非常明显,在低温高频时,混合料表现出更多的弹性性能,在高温低频时,混合料的黏性性质更为明显。     

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。     

沥青混合料动态模量主曲线研究

沥青混合料是典型的粘弹性材料,其力学性质受温度和荷载作用频率的影响很大,基于时间-温度置换原理的沥青混合料的动态模量主曲线可以很好的描述这一行为,在路面结构设计和力学分析中具有重要作用。在介绍沥青混合料动态模量主曲线的原理的基础上,以2种类型的Superpave沥青混合料为例,详细叙述了利用时间—温度置换原理确定沥青混合料动态模量主曲线的步骤,并绘制了主曲线和时间—温度转化关系图用以描述沥青混合料的粘弹性。     

30#沥青AC-20混合料动态模量及主曲线试验研究

通过沥青混合料动态模量试验和动态模量主曲线,并与50~#沥青AC-20混合料对比,评价30~#硬质沥青AC-20混合料的高温抗变形能力。结果表明,与50~#沥青AC-20混合料相比,30~#硬质沥青AC-20混合料的动态模量较大,可起到抗车辙的作用;在低频区段,30~#硬质沥青AC-20混合料的动态模量随荷载频率的增大急剧增大,而在5 Hz以上区段动态模量变化趋于稳定;30~#硬质沥青AC-20混合料的动态模量主曲线呈S形,在高温低频和低温高频段其动态模量受频率影响较小,且不同沥青混合料表现出的力学特性和适用范围不同。     

基于2S2P1D模型的沥青混合料老化前后黏弹性参数演变

沥青混合料的黏弹性性能与温度、时间及其胶结料的状态等参数密切相关,而在路面的使用过程中沥青容易受到老化的影响,进一步影响沥青混合料的黏弹性性能。为了让路面设计过程中的参数更为具体,在实验室内对不同老化状态下的SBS改性沥青混合料进行多个频率及温度下的单轴动态模量试验。采用William, Landel and Ferry(WLF)公式对不同温度下的频率进行时温等效转换,然后基于分数阶模型(2S2P1D模型)建立了动态模量及相位角主曲线,分析老化对沥青混合料黏弹性能的影响特征。研究结果表明:2S2P1D模型能够较好地拟合不同老化状态下的SBS改性沥青混合料的动态模量的数据,相关系数大于0.9;沥青混合料的2S2P1D模型中的玻璃态模量E_g和与粘度相关的β参数随着老化程度的增加显著增大。然而,静态模量E_0、分数阶指数k及h随着老化程度的增加而减小。基于该模型建立的储存模量及损失模量的主曲线表明:低频时老化对于沥青混合料的储存模量及损失模量具有不同的影响,当频率趋近于0时,老化对储存模量的影响基本不存在,但是随着老化程度的加深损失模量会显著增强。     

动态回弹模量滞回曲线形态参数研究

动态回弹模量的滞回曲线是动态加载作用下混合料的荷载和变形曲线,可反映沥青混合料内部应力应变状态随荷载和温度等的演变规律。基于黏弹理论可确定滞回曲线的3种形态参数:长轴斜率k、椭圆离心率e、滞回曲线面积S,分别表征沥青混合料的动态回弹模量、黏滞性及耗散能。并由此进行不同温度、荷载的动态回弹模量试验,结果发现:随温度升高SBS与70#沥青混合料形态参数存在较大差异,且其变化曲线均在15~20℃出现明显拐点;随荷载级位变大k,S呈一定的变化规律但e值基本不变。表明:(1)相对级配而言,沥青品质对混合料性能影响更大,而黏滞性与荷载大小无关;(2)在15~20℃间沥青混合料的力学性能差异较大,对温度的敏感性较高;(3)不同的滞回曲线形态参数取值体现了沥青混合料间的性能差异,可以采用3种形态参数对沥青混合料的黏滞性、耐疲劳性等基本力学性能进行评价。最后,基于试验曲线的变化规律,建立了回弹模量的应力依赖性模型,可反映不同应力水平条件下沥青混合料的响应行为,且预测结果较接近真实状态;基于Miner线性损伤准则,推导了变荷载累积耗散能预估方程,并建立了基于能量耗散理论的疲劳方程,可以通过动态模量试验得到的形态参数S对混合料疲劳性能进行预测。     

再生沥青混合料路用性能研究

针对AC-25型再生沥青混合料和新拌沥青混合料,通过劈裂强度试验、间接拉伸试验和三轴重复荷载试验对比分析了掺加30%旧料的再生沥青混合料与新拌沥青混合料的路用性能。研究结果表明:在相同温度时,再生沥青混合料的劈裂强度和劲度模量均比新拌沥青混合料要大,水平变形略低。依据间接拉伸疲劳试验,新拌AC-25型沥青混合料的疲劳性能要优于再生AC-25型沥青混合料。建立了新拌和再生AC-25型沥青混合料的应力疲劳方程和应变疲劳方程,其拟合相关系数之平方均大于0.91,相关性较好。在温度60℃、相同应力水平下,再生AC-25沥青混合料的永久应变小于新拌AC-25型沥青混合料,再生沥青混合料的抗永久变形性能优于新拌沥青混合料。建立了新拌和再生AC-25型沥青混合料在重复荷载作用下的黏弹性力学模型,相关系数达0.99。     

沥青混合料动态模量试验及模型预估

为了研究沥青混合料的动态特性,应用简单性能试验机(SPT)测试不同类型沥青混合料的动态模量与相位角.分析围压、频率、温度对沥青混合料动态特性的影响,依据时-温等效原理,通过非线性最小二乘法拟舍得到沥青混合料动态模量的主曲线,并采用修正的Witczak模型预估沥青混合料的动态模量.结果表明:频率与温度对沥青混合料动态特性的影响规律相同,而围压对动态特性的影响依赖于荷裁作用频率和试验温度;动态模量主曲线连续而光滑,相位角主曲线并不连续;采用修正的Witczak模型可以很好地预测沥青混合料动态模量值.     

国产岩沥青混合料动态模量研究

为了研究岩沥青改性沥青混合料的动态特性,应用简单性能试验机(SPT)测试了不同掺量岩沥青改性沥青混合料在不同温度和荷载频率下的动态模量与相位角,分析频率、温度对沥青混合料动态特性的影响。通过非线性最小二乘法采用Sigmoidal模型拟合沥青混合料动态模量曲线,根据时-温等效原理,确定了沥青混合料动态模量主曲线,结果表明:岩沥青改性沥青混合料可以有效提高混合料的动态模量,改善其力学性能。     

橡胶沥青混合料的动态弯拉模量研究

为了研究沥青混合料的模量特性,应用UTM材料试验机分别采用四点弯曲和梯形梁两种试验方法测试采用70#基质沥青和橡胶沥青两种不同沥青的混合料动态弯拉模量和相位角,根据时温等效原理计算主曲线移位因子并绘制动态模量主曲线和相位角主曲线,分析橡胶沥青混合料的动态黏弹特性;对比分析两种动态弯拉模量试验方法对沥青混合料动态弯拉模量和相位角的影响。结果表明:沥青混合料动态弯拉模量受温度和荷载频率影响较大,随着温度升高而显著减小,同时随着频率增大而增大;高温时,橡胶沥青混合料的动态模量显著大于70#基质沥青混合料,拥有更好的高温性能;橡胶沥青混合料受频率(温度)影响较小,温度敏感性更好;两种试验方法得到的主曲线在低温阶段趋势一致,在高温阶段有所差别,梯形梁试验最低频率为10 Hz,而四点弯曲试验的最低频率为0. 1 Hz,拟合得到的主曲线高温阶段形状更加完整,能更有效地反映混合料高温时的动态力学性能。     

沥青混合料动态模量温度修正研究

为分析和评估沥青路面的承载能力,以及研究在车辆荷载的反复作用和环境影响下沥青层模量的衰减规律,需对沥青层反算模量进行温度修正,在相同的温度条件下进行比较。为了得到沥青层反算模量或沥青混合料动态模量温度修正系数,通过室内成型沥青混合料试件或现场路面取芯,应用简单性能试验机(SPT)测试沥青混合料试件的动态模量,回归沥青混合料动态模量与温度关系模型,建立沥青混合料动态模量温度修正模型。结果表明:指数函数能较好地拟合沥青混合料动态模量与温度的关系,推荐的沥青混合料动态模量温度修正模型能很好地反映沥青混合料在标准温度下的模量值。     

矿物纤维改善沥青混合料高温稳定性研究

分别采用动态模量试验、动态蠕变试验和车辙试验研究了玄武岩矿物纤维对沥青混合料的粘弹特性及高温稳定性的影响。研究结果表明,矿物纤维掺入后沥青混合料的动态模量和相位角具有相同的变化规律,且纤维的使用能提高沥青混合料的动态模量,表明玄武岩矿物纤维能明显提高沥青混合料的劲度,而60℃时沥青胶浆和沥青混合料的车辙因子增大。高温动态蠕变试验结果也表明,掺入矿物纤维后沥青混合料的流动值增大,达到流动值时循环荷载产生的应变和经历10 000次荷载作用后的应变均能得到大幅度的降低。与未掺矿物纤维相比,掺加0.4%矿物纤维后沥青混合料的动稳定度由5 869次/mm提高到7 656次/mm,同时车辙深度减小,表明矿物纤维能明显提高沥青混合料抵抗高温流动变形的能力。     

沥青混合料蠕变柔量转换松弛模量的新方法

为了精确、简便地在广泛时间域内获得沥青混合料的松弛模量,提出了一种利用蠕变柔量转换求解松弛模量的新方法。该方法的主要实现过程为:(1)利用沥青混合料单轴压缩蠕变试验的测量结果获取蠕变柔量;(2)根据松弛模量和蠕变柔量在频率域内的关系,即复数模量和复数柔量互为倒数,得到了松弛模量Prony级数表达式中的黏弹性参数;(3)根据确定的黏弹参数确定松弛模量。针对两种沥青混合料在5个不同温度下的单轴压缩蠕变试验测量结果,利用该方法将蠕变柔量转换得到松弛模量,并根据松弛模量和蠕变柔量在时间域内的关系验证了松弛模量求解的准确性,然后根据时温等效原理绘制了两种类型沥青混合料松弛模量的主曲线。计算结果表明:基于单轴压缩蠕变试验的测量数据,可采用提出的新方法准确计算出沥青混合料在不同温度下的松弛模量,控制误差绝对值在1.4%以内;根据在不同温度下计算得到的松弛模量,绘制松弛模量主曲线可表征更广时间和温度范围内的沥青混合料松弛性质,从而更加全面地描述沥青混合料的黏弹性性质,为沥青混合料的黏弹性分析提供了有效的方法。     

沥青混合料动态模量及其主曲线的确定与分析

研究中利用Superpave简单性能试验机(SPT)测量了SM A 13和Superpave20两种沥青混凝土在不同温度和荷载作用频率下的动态模量。并分析了温度和荷载频率对动态模量和相位角的影响。本研究还根据时间~温度置换原理,通过非线性最小二乘拟合,确定了两种沥青混合料的动态模量主曲线和时间~温度转化因子,并利用相同的时间~温度转化因子形成了相位角主曲线,从而完全确定了沥青混合料的粘弹性性质。