基于热力学的沥青混合料粘弹-粘塑性损伤本构模型

为了表征沥青混合料的力学行为,以不可逆热力学理论为基础,推导出沥青混合料粘弹-粘塑性损伤本构模型;将建立的本构模型用于分析沥青混合料三轴蠕变试验和等应变速率压缩试验.结果表明:该模型能够合理描述沥青混合料蠕变试验的三阶段,准确表征其三维变形特征,并能从机理上分析沥青混合料的变形行为;可以较准确地预估等应变速率压缩试验中的应力-应变发展规律及应力峰值和体积变形规律;所提出的粘弹-粘塑性损伤本构模型能够表征沥青混合料在多种压缩加载模式下的力学行为特征.     

沥青混合料粘弹性能微观力学分析

利用Moil—Tanaka等效夹杂微观力学理论研究了沥青混合料的粘弹性能。将沥青混合料看作刚性粗集料颗粒夹杂于粘弹性沥青砂浆基体内的复合材料,对集料夹杂和沥青砂浆基体的本构方程分别进行Laplace变换成弹性问题,在Laplace空间域内应用Mori—Tanaka等效夹杂和宏观平均理论由沥青砂浆粘弹性能推导出了沥青混合料的粘弹性能。结果表明,粗集料颗粒夹杂对粘弹性沥青基体性能具有增强作用,沥青混合料粘弹本构方程可表示为粗集料增强系数与沥青基体粘弹本构方程的乘积形式。利用增强系数可以从性质较均匀的沥青基体粘弹性来预测性能较复杂的沥青混合料的粘弹性。其中增强系数大于1且随粗集料体积分数或沥青基体的泊松比增加而增大,粗集料体积分数对增强系数的增大作用远大于沥青砂浆基体泊松比对其的影响。     

采用L-M方法辨识沥青混合料本构模型参数

现有的沥青混合料本构模型参数辨识方法主要是对试验数据图进行分析,结合本构模型公式得到材料参数。这种方法主观性强,精度差。文章以Burgers模型为例,通过引入了基于不等距节点的二次B样条对试验数据序列进行筛选,采用非线性最小二乘L-M方法对沥青混合料本构模型进行拟合,得到了精度较高的模型参数。     

不同空隙率沥青混合料的粘弹性能

为了研究沥青混合料在宽频范围内的动态粘弹性能,采用AR-2000型动态剪切流变仪对不同空隙率沥青混合料进行动态频率扫描,得到了复数剪切模量和相位角等粘弹参数。根据时温等效原理,得到了复数剪切模量、相位角随频率变化的主曲线,同时分析了频率、沥青种类、温度和空隙率对沥青混合料粘弹性能的影响;基于主曲线采用CAM模型拟合分析了不同空隙率沥青混合料试件的粘弹性能。结果表明:频率与温度对不同空隙率沥青混合料粘弹性能的影响规律相同;沥青混合料相位角主曲线在中高温时欠光滑;沥青混合料粘弹性能对空隙率有较强的依赖性;应用CAM模型可以较好地分析不同空隙率沥青混合料的粘弹性能,为沥青混合料设计和性能评价提供参考。     

沥青混合料低温抗裂性能研究

以低温弯曲试验为基础,得出沥青混合料破坏能的函数关系。采用Burgers模型作为本构模型,对低温弯曲蠕变试验结果进行非线性分析,得出材料模型的粘弹性参数。通过模拟路面降温条件,采用粘弹性方法以Burgers模型为基础得出温度应力的计算公式,以及温度应力产生的应变能的计算方法,进而以能量为判据,提出将温度应力产生的应变能与沥青混合料的破坏能相比较,从而判断沥青路面是否发生低温开裂的预估方法。     

沥青砂粘弹性模型参数的试验研究

进行了沥青砂在40 ℃、5种加载应力下单轴压缩蠕变试验,选择Burgers模型分析其粘弹性,通过模型参数与加载应力相关性分析,得到了沥青砂粘弹性本构方程的一般表达式,进行模型预测值与试验结果对比,并分析模型参数对蠕变过程的影响.结果表明,Burgers模型能够描述沥青砂粘弹特性,且模型的弹性系数E1确定了蠕变曲线的初始位置(t=0),弹性系数E2控制了第一阶段蠕变曲线范围,粘性系数η1确定了第二阶段蠕变曲线斜率大小,粘性系数η2主要控制了第一阶段蠕变曲线的弯曲程度.     

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。     

沥青路面蠕变响应现场预估方法与试验

为了揭示在役沥青路面结构的黏弹特性,给基于黏弹性本构的沥青路面设计提供参考,针对现有沥青路面应变测试仍然基于弹性假设的现状,依据三维线黏弹本构理论,通过现场埋设应变和温度传感器,开展不同温度与轴载作用下的沥青路面静载蠕变试验。基于实测应变变化规律对现有表征沥青混合料黏弹性本构模型的适用性进行了判别,并分析温度、偏应力等外部影响因素对沥青层黏弹性参数的影响规律,由此建立沥青路面应变随外部因素变化的预估模型。结果表明:实测蠕变历时曲线呈现的黏弹特性很好地符合Burgers模型,拟合判定系数超过0.98;Burgers模型的4个参数(G_1,G_2,η_1及η_2)均随温度的提高而减小,随偏应力的增加而增大,与偏应力、温度分别呈良好的线性和指数函数关系,拟合相关系数均大于0.84,其中黏性参数η_1和η_2受温度和偏应力的影响显著;按应变预估模型计算得到的应变与同等工况下的实测应变历时曲线规律吻合,应变值的相对误差在10%以内,表明建立的基于三维黏弹本构关系的沥青面层应变预估方法合理、可行。     

矿粉掺量对沥青胶浆低温黏弹特性影响研究

为了探究粉胶比的变化对沥青胶浆体系低温黏弹性能的影响,通过小梁弯曲蠕变试验测试了不同矿粉掺量下4种不同类型沥青胶浆体系的低温性能,引入低温系数λ进一步评价胶浆体系的低温性能;基于黏弹性理论,结合Burgers黏弹性本构模型方程,对-18℃温度下沥青胶浆的蠕变柔量曲线进行非线性拟合,得出Burgers模型4个黏弹参数的变化规律。结果表明:粉胶比增大,各沥青胶浆体系的劲度模量S及低温系数λ增大,蠕变速率m及黏弹比RV减小,说明体系的黏性特征减弱,低温抗裂性能降低,弹性特征增强,抵抗变形的能力提高。     

沥青混合料粘弹体粘聚破坏行为的二维细观尺度模拟

沥青混合料的细观结构是复杂且高度不均匀混合物。这种不均匀性严重影响着沥青混合料整体的实体力学行为和开裂行为性能,而且细观结构模型的建立也极具挑战性。本研究将基于多重二维细观结构的有限元模型对沥青混合料粘弹体粘聚破坏响应进行预测。首先,为了模拟裂缝的产生和扩展,利用沥青混合料的扫描结构的图像,借助组成相的分割方法分离颗粒与胶浆,有效的生成多个二维的图像,并赋予混合料粘聚区域内的微观结构的材料属性,进而提出一种新的数值算法。建立模型时沥青胶结料具有粘弹特性和也是开裂区,集料被看作弹性体。其次,通过利用间断级配混合料的三点弯曲和密级配的半圆弯曲试验的结果与有限元模拟结果进行统计和对比分析,对提出的多重二维图像分析方法进行验证。结果表明,通过多重二维细观结构的模拟结果可以获取沥青混合料粘弹体的开裂行为,但是当粗骨料的含量越高和分布越复杂时预测能力将有所下降。当这些局限性得到进一步解决时,就可以仅仅通过获取扫描二维图像的细观结构就可以预估沥青混合料粘弹体的粘聚破坏行为,大幅度降低做实验消耗的成本。