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。     

沥青混合料疲劳性能试验与表征方法综述

针对沥青混合料疲劳耐久性设计参数的不确定性与不科学性问题，从疲劳试验方法及疲劳性能表征模型两方面对沥青混合料疲劳性能表征的发展现状、存在的问题进行了综述，并总结了其未来发展方向。沥青混合料疲劳性能主要通过室内外不同疲劳试验进行研究，不同试验方法所用沥青混合料试件的尺寸、形状，试件内部所处应力状态及试验条件皆各不相同，而沥青混合料是一种由沥青结合料与不同粒径矿料通过搅拌和碾压而成的多相、多组分、多尺度黏弹性混合料，其力学响应具有显著的时间、温度与应力状态相关性，不同试验方法所对应的加载速度、试验温度及应力状态存在较大的差异性，故其试验结果呈现出显著的不确定性，其疲劳性能表征模型参数也存在显著的差异性；此外，常用的室内材料疲劳试验方法大多为一维或二维应力状态下的疲劳试验，这与沥青路面结构实际服役过程中所处的三维应力状态不符；沥青混合料疲劳性能表征方程大多来源于一维应力状态下的疲劳试验结果，因此，用简单应力状态下的材料疲劳试验方法与性能表征模型难以客观表征三维应力状态下沥青路面结构的疲劳抗力，从而导致沥青路面疲劳耐久性设计存在较大的偏差。建议开发与沥青路面服役状态一致的三维应力状态下的疲劳试验方法，并建立三维应力状态下疲劳表征模型，以消除不同试验方法及试验条件对沥青混合料疲劳性能表征的影响，提高沥青混合料疲劳性能表征的有效性与完备性。     

基于CT扫描和离散元的沥青混合料动态模量虚拟仿真

利用X射线的断层摄影,得到沥青混合料组成成分的三维内部微观结构,提供集料、玛蹄脂和空隙的精确位置,在此基础上开发二维和三维模型。采用离散单元法(DEM)在二维和三维状态下预测沥青混合料的动态模量,开发并完成一个基于单轴压缩试验的测定玛蹄脂和沥青混合料在不同温度及加载频率下动态模量的试验方案。在该离散元仿真中使用了一个三维离散元的3个重复和二维离散元的6个重复,监测了沥青混凝土在压缩载荷下的应变响应,并计算它的动态模量,然后将三维和二维离散元得到的动态模量和试验测量结果进行比较。结果显示,三维离散元模型成功地预测了在一定温度和加载频率下沥青混合料的动态模量,二维离散元模型对沥青混合料的动态模量预测偏低。     

基于单轴压缩试验的环氧沥青OGFC混合料动态模量研究

为研究环氧沥青OGFC混合料的动态特性,采用UTM试验机,在-10、5、20、50℃以及0. 1、0. 2、0. 5、1、2、5、10、25Hz条件下,通过单轴压缩试验测试环氧沥青OGFC混合料的动态模量,并针对温度、加载频率对环氧沥青OGFC混合料动态模量的影响进行分析,依据时间—温度等效原理,通过非线性最小二乘法拟合分析建立环氧沥青OGFC混合料的预估模型。研究结果表明,环氧沥青OFGC混合料动态模量受温度的影响程度较大,随温度的升高而显著降低,同时也随频率的增大而增大。最后通过建立参考温度为20℃的环氧沥青OGFC动态模量主曲线,可为环氧OGFC沥青路面结构设计提供可靠的参数,对于环氧OGFC路面的推广使用具有重要意义。     

基于结构固有频率的沥青混合料动态模量及预估模型研究

为实现沥青混合料动态模量的快速、无损检测，开展了基于无约束共振法的沥青混合料动态模量研究。首先，基于固有频率计算原理和时温等效原理，分别采用无约束共振法和重复加载法构建动态模量主曲线，阐明无约束共振法测试动态模量的可行性；然后，基于无约束共振法揭示温度、级配类型和空隙率对沥青混合料动态模量的影响规律。基于此，构建包含584组试验数据的动态模量预估模型数据库，采用BP神经网络方法建立动态模量预估模型，并与传统Witczak预估模型进行对比。结果表明：采用沥青混合料固有频率表征动态模量合理可行；无约束共振法可将重复加载法构建的动态模量主曲线最大换算频率10⁷ Hz扩大至10¹⁴ Hz，构建更宽频域范围的动态模量主曲线，提高高频模量预估的准确性；BP神经网络预估模型的预测效果明显优于Witczak模型。研究为动态模量的快速、无损检测提供了技术基础。     

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。     

沥青混合料动态力学性能的围压应力依赖性研究

为了研究沥青混合料动态力学性能的围压应力依赖性,分别对AC-20(AH-30^#)和AC-25(AH-30^#)两种沥青混合料开展不同试验温度、不同扫描频率和不同围压水平的三轴动态模量试验。首先分析不同温度和频率条件下围压应力对沥青混合料动态力学性能的影响;其次基于时温等效原理分别采用Boltzmann和Gussamp函数模型绘制了基准频率为10 Hz沥青混合料动态模量和相位角主曲线。研究表明：当试验温度低于20℃时,不同扫描频率条件下,围压对两种沥青混合料的动态力学性能几乎没有影响;当温度为55℃,扫描频率为0.1 Hz时,AC-20(AH-30^#)和AC-25(AH-30^#)沥青混合料的最大动态模量比值分别为3.50和2.49,当试验温度为50℃,扫描频率为0.1 Hz时,最小相位角比则分别为0.59和0.65。高温状态下,围压水平越大,则沥青混合料动态模量比越大,相位角比越小,两种沥青混合料的动态力学性能具有显著的围压应力依赖性。沥青混合料动态模量和主曲线整体变化趋势相同,但在高温区域围压水平升高...     

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。     

沥青混合料动态模量试验研究

对一种Superpave级配沥青混合料不同空隙率的试样进行了不同温度、不同加载频率条件下动态模量试验,分析了混合料动态模量随体积参数、加载条件的变化规律,研究结果对我国的路面设计模量动态参数的选择具有借鉴意义。     

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。     

高模量沥青混合料的试验研究

从高模量沥青混合料的材料组成及配合比设计出发,通过与基质沥青混合料和几种改性沥青混合料路用性能的对比,利用试验方法分析了高模量沥青混合料材料的高温稳定性、低温抗裂性以及不同温度和加载频率下的动态模量。试验表明,采用高模量沥青混合料在保证沥青混合料路面低温性能不降低的前提下可以有效提高沥青混凝土路面的高温稳定性;同时,根据对动态模量试验数据的分析,得出提高沥青混合料弹性模量可以有效减缓高速公路沥青混凝土路面车辙产生的结论。     

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。     

用真实应力比表征的老化沥青混合料疲劳性能

为了弥补现行沥青路面设计规范在利用传统疲劳方程进行疲劳设计时的不足,通过对沥青混合料进行不同程度的长期老化试验模拟了路面实际的老化程度。通过不同加载速率下的沥青混合料强度试验,揭示了强度随加载速率的变化规律。基于不同加载速率下的强度值,得到了与疲劳加载速率对应的疲劳真实应力比,建立了基于名义应力比和真实应力比的沥青混合料疲劳方程。基于名义应力比的疲劳方程曲线后延后与横坐标的交点远比1大,不具有后延性,而基于真实应力比的疲劳方程曲线可以后延到疲劳寿命为1的强度破坏点,统一了强度破坏与疲劳破坏的内在联系。建立了基于真实应力比的老化沥青混合料疲劳方程,疲劳方程曲线均通过(1,1)点。研究结果可为沥青路面设计时考虑老化效应的影响和抗拉强度结构系数的正确计算提供理论方法和依据。     

PR-Module高模量沥青混合料动态模量—温度分布研究

为了研究PR-Module高模量沥青混合料的动态模量变化规律、时温等效下动态模量主曲线和沥青混合料层动态模量沿深度(温度)的分布规律,以SK-70~#作为基质沥青,选用PR-Module作为改性剂制备高模量沥青混合料,通过简单性能试验(SPT试验)测试了PR-Module掺量为0%、0.3%、0.5%和0.7%时沥青混合料的动态模量,并对比分析了PR-Module添加量、温度、加载频率对沥青混合料动态模量的影响;依据时温等效原理,通过非线性最小二乘法拟合得到高模量沥青混合料动态模量的主曲线方程。以抚吉高速公路为例,建立了行驶速度为60、80、100、120 km/h时高模量沥青混合料层动态模量沿深度(温度)的分布曲线。结果表明:不同PR-Module掺量的高模量沥青混合料的动态模量试验结果具有较好的一致性;建立了参考温度为20℃时PR-Module高模量沥青混合料的动态模量主曲线方程。AC-25型高模量沥青混合料在不同温度区间相比普通沥青混合料动态模量的增长率为37%～63%。     

典型地区沥青混合料疲劳寿命动态模量代表值研究

沥青混合料在不同的试验温度和荷载频率作用下,其力学响应特征不同,不同的温度和行车荷载作用下服役的沥青路面产生的主要路面病害也不同。在沥青路面常见的病害中,疲劳破坏属于结构性破坏,可以利用行车荷载作用下的沥青面层混凝土力学响应特征参数来描述。文章通过调研内蒙古地区基本路况得到分析路面结构参数,并选取典型区域历年温度参数,利用调研所得数据,进行疲劳寿命等效温度预估分析,进一步得到疲劳寿命模量代表值。研究结果显示:典型路面结构下面层(AC-25C)的代表温度为3.1℃,疲劳寿命动态模量代表值为23291MPa。     

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。     

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。     

沥青混凝土动态模量试验及Witczak预估模型验证

对几种常用沥青混凝土进行了动态模量试验研究,并对Witczak动态模量预估模型进行了验证.试验研究表明:沥青混凝土的动态模量随温度增加而减小,且呈明显指数关系;沥青混凝土动态模量随加载频率提高而增大,当环境温度较低时动态模量与频率呈明显对数相关性,当温度较高时动态模量与频率无明显对数相关性;Witczak预估模型在温度低于45℃时对沥青混合料动态模量的预估是可行的,但在较高温度条件下,由于动态模量偏低,其预估值偏差较大,精度还需要进一步提高.     

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。