原子力学显微镜AFM图像沥青蜂状结构特性研究综述

通过原子力学显微镜下AFM图像中蜂状结构的组成、生长机理，沥青AFM分析试件制备方法以及蜂状结构对沥青力学性能、抗老化性能、自愈合性能的影响分析，并对AFM力曲线推导沥青黏附功和沥青集料黏附功检测中沥青抗水损害性能进行分析，以此评价沥青混合料的抗水损害性能，有利于对沥青的选择。     

基于纳米力学和官能团的沥青老化微观机理

采用原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)技术来探索沥青老化规律,同时与传统的研究沥青老化方法傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform infrared spectroscopy,FTIR)的研究结果进行比较。分别测试了基质沥青和SBS改性沥青在原状(未老化)、RTFO老化后和PAV老化后的微观力学特性及其官能团化学特性。结果表明,沥青的老化程度越高,"蜂状结构"发育越好,平均面积和最大面积越大。沥青试样内至少存在3个不同的微区具有不同的黏附力,其中"蜂状结构"相黏附力最低。老化影响沥青的纳米力学性能,提高沥青黏附力大小分布的均匀性,不同老化程度的SBS改性沥青的黏附力均大于基质沥青。老化引起沥青羰基和亚砜基等含氧官能团含量增加,丁二烯基含量减小。沥青老化后微观力学的变化与官能团的变化有良好关系。     

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。     

原子力显微镜技术在沥青微观力学特性研究中的应用

考虑到沥青性质受原油、沥青成分及组分等因素的影响,文中利用原子力显微镜技术对AAB,AAD和ABD等不同种类沥青的微观力学特性进行了研究。结果表明,沥青内部微观流变性与微观结构之间存在密切关系,沥青老化会导致微观结构的变化,而变化的形式与程度与沥青的种类相关。     

温拌沥青及其混合料路用性能研究

为明确温拌剂对于沥青混合料路用性能的影响规律,制备了一种常用温拌改性沥青,系统研究了温拌剂对于沥青三大指标的影响规律,借助原子力显微镜对温拌沥青的微观结构进行了表征,在此基础上,对温拌沥青混合料进行级配设计,研究其相关路用性能。结果表明,沥青在加入温拌剂后,自身微观结构并未产生明显的变化,蜂状结构分布均匀,无团聚。温拌剂材料分散性良好,能够在沥青中均匀分布;温拌剂的掺入可以提高沥青的感温性,降低沥青的塑性;通过车辙试验,发现温拌剂的加入能够显著地提高沥青混合料的高温性能,3%沥青掺量的温拌剂的加入使得混合料的动稳定度提升了24. 7%;通过水稳定性能试验及冻融劈裂强度试验,发现温拌剂可一定程度上提高沥青混合料的冻融水稳定性能。     

空隙特征对沥青混合料低温抗裂性能的影响

沥青混合料是复合材料,其空隙大小及位置分布,闭合空隙和相通空隙等对其结构及性质有很大影响.通过对沥青混合料典型结构空隙特征在不同温度、不同沥青品种条件下的低温静态力学特性、静态劲度模量、动态劲度模量的研究表明:沥青混合料的级配类型不同,其混合集料的空隙率不同;沥青混合料低温性能差异明显.     

纳米尺度沥青微观结构特征演化分析

为研究老化引起的沥青纳米尺度微观结构演化特征,建立微观结构演化特征与宏观尺度性能衰变之间的相关关系,分别选取实验室老化和现场老化回收的沥青样本为研究对象,利用原子力显微技术(AFM)和动态剪切流变试验(DSR),对沥青表面微观结构的演变特性和宏观性能的衰变规律进行了研究。研究结果表明:老化对沥青表面微观结构形貌有显著影响,未老化沥青和短期老化(RTFOT)沥青样本表面形貌中存在典型的"蜂相结构",长期老化(PAV)和铣刨料(RAP)中抽提回收的沥青样本其表面形貌仅呈现一些褶皱似的凸起和亮白色斑点;在纳米尺度,老化改变了沥青纳米级相态的空间分布特性,降低了相态之间表面高度差异,表面高度以及表面粗糙度指标可以量化这种空间分布的特征;宏观尺度上,沥青样本黏弹特性发生显著变化,复数剪切模量升高,相位角降低,这种流变响应可以表征老化引起的流变性能的演变。基于此,提出了沥青纳米级形貌特征和流变性能相关关系的量化表征模型。     

机场复合道面受多轮荷载作用的力学特性分析

建立机场水泥混凝土道面结构加铺沥青层前后的两种三维有限元模型。在A380-800F和B737-800两种通用机型轮载作用下,考虑多轮荷载的影响,分析道面结构的力学特性:包括道面表面弯沉、沥青层底及水泥混凝土层底拉应力、土基顶面压应变。结果表明:3个力学量的分布规律与轮载的布置位置相关,且受到多轮荷载效应的影响;加铺沥青层后改善了道面结构的受力状况,加铺层设计时可将沥青层底及水泥混凝土层底拉应力作为设计控制指标。     

沥青混凝土路面梯度特性分析

沥青混凝土路面结构在路面温度场及老化作用下会产生梯度特性,而传统的路面设计与力学计算中并未考虑路面结构的这种梯度特性.采用有限元软件ABAQUS建立沥青路面结构的考虑梯度特性的梯度模型与不考虑结构梯度特性的均匀模型,并对两种模型进行了对比分析.结果表明,路面梯度特性对路面结构在行车荷载作用下的力学响应影响显著,因此,在沥青路面结构设计及力学分析中,应当考虑路面结构梯度特性的影响.     

钢桥面水泥混凝土-沥青复合铺装结构的温度场分析

桥面铺装是影响桥梁行车安全性、舒适性、桥梁耐久性以及投资效益的重要因素.文章针对桥面铺装体系容易出现的病害,提出了新型钢桥面轻质混凝土-沥青复合铺装结构,介绍了该复合铺装结构的温度场分布情况.通过在桥面铺装结构内部以及层间接触部位埋设的传感器,得到大量的实测数据,并在此基础上分析了钢桥面水泥混凝土-沥青复合铺装结构的温度场变化规律,为钢桥面力学特性分析提供依据.     

温拌剂对温拌沥青及其混合料性能的影响

为探究Sasobit温拌剂对于沥青混合料路用性能的影响规律,首先借助原子力显微镜对温拌沥青的微观结构进行了表征,其次研究了温拌剂各掺量在不同温度对于沥青黏度的影响规律,在此基础上,对温拌沥青混合料进行级配设计,研究其相关路用性能。结果表明,沥青在加入温拌剂后,自身微观结构并未产生明显的变化,蜂状结构分布均匀,无团聚,温拌剂材料分散性良好,能够在沥青中均匀分布;温拌剂能够在高温时降低沥青的黏度,当温拌剂掺量为3%时,温拌沥青高温时的黏度相对于基质沥青大概可以下降25%;通过车辙试验,发现温拌剂的加入能够显著地提高沥青混合料的高温性能,温拌沥青的动稳定度相比热拌沥青的动稳定能够提高10%以上;通过水稳定性能试验,发现温拌沥青的水稳定性能较好;通过低温性能试验,发现温拌沥青混合料的低温性能主要由基质沥青的性质决定。     

长寿命沥青路面结构粘弹性力学响应分析

沥青混合料具有粘弹性特性,为客观反映长寿命沥青路面结构的行为特性,该文首先对SMA13和AC-10两种沥青混合料进行弯曲蠕变试验,通过拟合得到其粘弹性力学参数,随后采用三维有限元方法,对一种混合式基层长寿命沥青路面在不同温度下的力学响应进行了线粘弹性分析.结果表明:路表轮隙弯沉值、路面结构沥青层底拉应变和基顶压应变都随着荷载作用时间的增加和温度的升高而逐渐增大.低温时,沥青路面结构的粘弹性特性不明显;温度较高时,沥青路面结构的粘弹性特性表现显著,路表轮隙弯沉值、沥青层底的拉应变和基顶压应变的变化较大.     

含有地下管道的沥青混凝土路面结构力学分析

针对现有含有地下管道的沥青混凝土路面的病害现象,应用有限元方法,建立了道路结构力学计算模型,研究分析道路回填材料的回弹模量、管道埋深及沟槽形式等因素变化下的力学行为,得出地下管道的存在对路面结构影响受力分布规律与范围,并和调查路面的病害情况进行对比,为沥青混凝土路面的结构设计与现场施工及改善路面的结构性能提供了理论参考。     

基于尺度方法的AC-13沥青混合料弹性力学特性研究

运用尺度方法预测随机复合材料沥青混合料弹性力学性能:弹性模量E及泊松比μ。通过CT扫描技术获取AC-13沥青混合料细观图像,统计不同粒径骨料随机分布特性。根据统计的随机骨料分布特性,在有限元软件内建立AC-13沥青混合料骨料特性的二维细观模型,选取70 mm×70 mm区域作为计算尺度。对集料及基体材料赋予参数,运用尺度算法程序计算沥青混合料模型;预测得出沥青混合料的弹性力学参数E、μ。     

含智能感知器件的沥青路面材料力学特性PFC数值分析

埋入式智能感知器件势必会与路面沥青混凝土材料产生交互影响，为研究器件布设深度、数目、形状以及分散情况对沥青路面材料力学特性及破坏形式产生的影响，利用PFC^2D数值模拟软件，从细观角度出发，采用离散元数值模拟的方法建立了在单轴压缩模拟试验条件下沥青试样埋入智能感知器件后的离散元模型，通过模拟沥青混凝土试样在不同影响条件的破坏模式，分析了不同路面埋设深度、器件数目、器件形状和分散状态对含智能感知器件沥青混凝土试样的力学特性及破坏形式的影响规律。研究结果表明：内含智能感知器件的沥青混凝土试样的力学特性及破坏形式受器件数目影响较大，且试验过程中产生的应力集中现象多发生于感知器件边缘与沥青混合料接壤处；器件单元的形状外轮廓会对试样裂缝的开展产生引导作用，矩形感知器件影响下的沥青混凝土试样，其破坏裂缝多呈“V”字形开展，而梯形的智能感知器件在相同的试验条件下容易诱发试样内部产生沿梯形侧边45°的斜裂缝。在各种因素影响条件下，含智能感知器件的沥青混凝土试样以3个器件在试样中呈对角分布状态时的强度最低，稳定性最差，此种分散情况会造成试样最大化程度的破坏。     

沥青混合料冻融劈裂微观结构损伤特性分析

量化研究了沥青混合料冻融劈裂试件微观结构的损伤特性。基于冻融劈裂前后试件的CT图像,以CT值和损伤变量为基础,根据试件内部损伤特征,借助损伤力学基本概念,通过适当的数学假设,建立了冻融劈裂前后沥青混合料试件内部结构CT值分布规律的数学模型。利用CT值和损伤变量实现了对冻融劈裂前后试件内部微观损伤的量化。以损伤力学概念为基础,给出了沥青混合料损伤密度的定义,推导了以CT值表示的混合料密度损伤变量表达式,从而将CT值和损伤变量联系起来。利用损伤变量可以对混合料试件冻融劈裂前后内部微观结构的变化进行对比分析,实现了试件内部微观损伤特性变化的定量对比。对冻融劈裂前后试件上中下3个层位损伤变量的计算结果表明,冻融劈裂后试件各层位相应的损伤变量均有不同程度的增加,与CT图像表明的试件内部损伤明显加剧相吻合。     

基于损伤-断裂力学的钢桥面铺装体系疲劳特性研究

基于损伤，断裂力学的方法就钢桥面沥青混合料铺装体系在循环荷栽作用下的力学行为和疲劳损伤特性进行理论分析。采用粘弹性损伤模型的能量转换方法对钢桥面沥青混合料层应力场、应变场及损伤场分布状况和演变规律进行研究，同时，建立了结构的疲劳寿命理论预测公式。最后。通过南京长江第二大桥钢桥面铺装体系疲劳实例分析，验证了预测公式的合理性，并与其他预测方法的结果进行了比较。     

基于精细化DEM建模的冷再生混合料断裂性能分析

冷再生沥青混合料包含水泥、乳化沥青、旧料等成分，具有材料组成复杂、界面结构多变的特点，其对冷再生混合料的抗裂性能具有显着影响。以冷再生沥青混合料的断裂性能为研究对象，提出一种精细化的数值建模方法，该方法包括细观结构特征精细重构和力学参数精确获取。采用彩色乳化沥青区分材料内部真实组成结构，并经过图像处理和MATLAB程序处理导入离散元（DEM）数值仿真软件中，进行冷再生混合料结构精细化重构；结合SEM原位力学测试方法获取考虑试件尺寸和加载速率影响的沥青砂浆精确力学参数，建立精细化的离散元数值仿真模型；基于精细化建模开展冷再生沥青混合料断裂性能和关键失效机理分析，并通过室内试验进行验证。数值仿真和室内试验结果表明：基于细观结构精细化重构和材料参数精确获取的离散元建模方法可以有效模拟分析冷再生沥青混合料的断裂性能；冷再生混合料的整体断裂特性属于脆性断裂，抗拉强度低的冷再生沥青砂浆是混合料内部的薄弱区域，混合料内部主要断裂界面为冷再生沥青砂浆-骨料界面。提高沥青砂浆黏聚强度和材料内部界面强度可以显著改善冷再生沥青混合料的抗裂性能。     

离析对沥青路面结构力学响应的影响

将沥青混合料离析分为无、轻度和重度三种水平,根据不同程度离析混合料级配、沥青用量与空隙率等关键指标,计算不同季节不同离析程度的沥青混合料动态模量。根据动态模量,进行力学分析,计算得到不同程度离析发生在各个结构层时沥青路面结构响应,分析离析对沥青路面结构力学响应的影响。     

不同路面结构的重载敏感性分析

我国主要的路面结构为半刚性基层沥青混路面、水泥混凝土路面及柔性基层沥青路面,不同的路面结构在荷载的作用下表现出不同的力学特性。本文通过非线性力学分析,探讨了路面结构在重载作用下的非线性特性,得出了考虑重载条件的沥青路面轴载换算方法。结合路面结构轴载状况的调查及新的轴载换算方法,分析了不同路面结构对重载的敏感性。