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。     

混合料试件中沥青微尺度力学性能原位判别方法研究

为了实现在混合料试件中直接判别沥青微尺度力学性能的想法,确定沥青微尺度力学性能与混合料试件路用性能之间的相关关系,以不同老化程度沥青成型的混合料样本为研究对象。首先,采用冻融劈裂试验、60℃车辙试验和-10,15℃劈裂强度试验,对混合料的抗水损坏性能、高温性能、低温性能以及抗劈裂性能进行评价,研究了沥青老化程度对于混合料宏观尺度性能的影响;然后,采用低温冷冻再切割的方法制备混合料试件显微观测样本,针对选定的样本测试区域利用原子力显微技术(AFM),直接测试(原位)混合料中沥青的微尺度力学性能;利用AFM附带的专业分析软件提取力学图像中局部区域像素点的力学信息,分析了沥青微尺度模量和微尺度黏附力的量化表征方法,获取了混合料中老化沥青微尺度性质的演变规律;最后,基于统计分析方法,建立了沥青微尺度性能与混合料宏观性能的相关关系。研究表明:采用AFM技术可以实现混合料中沥青力学性质的原位测试,混合料中未老化沥青模量集中在420～500 MPa,黏附力集中在27～36 nN;随着沥青老化程度的加深,微尺度模量升高,微尺度黏附力降低。沥青微尺度力学性能的演变规律与混合料宏观尺度性能存在很好的一致性,证实了AFM技术用于混合料试件中沥青性能原位识别的可行性。     

沥青混合料动态模量数值预测方法

为了更好地预测沥青混合料的动态模量,利用工业CT采集数字图像,并与数值模拟技术相结合,从三维细观尺度研究了混合料结构对其性能的影响。首先采用工业CT扫描沥青混合料试件,获取其内部的真实三维细观结构,再开发程序建立沥青混合料的三维数值试样。将沥青混合料中的集料设为弹性体,将沥青砂胶设为粘弹性体,并采用修正的广义Maxwell模型表征,拟合出Prony级数的剪切松弛模量参数,作为有限元的输入参数。最后进行不同温度和频率下的沥青混合料间接拉伸动态模量数值模拟。结果表明:预测值和实测值吻合良好,基于三维细观尺度预测沥青混合料动态模量切实可行;该方法克服了传统沥青混合料数值模拟方法的局限性。     

沥青混合料断裂数值模拟进展

以沥青混合料为建筑材料的沥青路面是我国高等级公路的主要铺面形式,裂缝是造成沥青路面破坏的主要原因之一。研究沥青混合料的开裂机理有助于优化沥青混合料的设计,提高其抗裂性能。数值模拟是研究沥青混合料断裂的有效手段。但是,由于沥青混合料组成材料的多相性和细观结构的不均匀性,沥青混合料的断裂模式非常复杂。尽管目前断裂力学理论和数值模拟手段取得了很大进步,沥青混合料的断裂模拟问题还处于探索阶段。本研究总结了基于经典断裂力学理论的有限元方法、内聚力模型的有限元方法、细观结构模型的有限元方法和细观结构模型的离散元方法在沥青混合料断裂模拟中的应用和取得的成果。在分析各种数值模拟方法优劣的基础上,展望了今后的研究重点。在有限元方面,建议进一步研究基于沥青混合料三维细观结构的有限元方法,重点解决三维细观结构构建、计算收敛性和单元畸变问题。在离散元方面,建议进一步研究基于沥青混合料三维细观结构的离散元方法,重点解决计算效率和细观断裂本构模型问题。     

基于微观力学模型的沥青混合料水损坏研究

水-荷载的耦合作用是沥青路面早期破坏的主要原因。该文提出了沥青混合料水损坏的微观力学模型,该模型可以用来量化分析在水-荷载的耦合作用下沥青混合料的损伤过程。同时,考虑到材料的力学性能是含水量的函数,利用内聚力模型对集料-沥青结合料间界面的粘结破坏进行了模拟,并通过沥青混合料内部应力、应变的变化研究了集料-沥青界面间裂缝发生的位置、时间和裂缝扩展过程。结果证明:微观力学模型可以用来揭示沥青混合料水损坏机理,并对连续损伤模型的建立具有一定指导意义。     

纤维沥青混合料最佳纤维掺量试验研究

在原材料物理力学性能试验的基础上,利用图解法并经过配合比凋整和优化,得出AC-13 Ⅰ矿料的配合比.在此基础上,通过不同纤维种类、不同纤维掺量下沥青混合料的马歇尔试验,分析纤维种类和掺量对最佳沥青用量OAC、OACmax和OACmin的影响,从纤维在沥青混合料中分散程度出发,得出纤维最佳掺量.进一步通过高温车辙试验,分析纤维增强机理,研究不同纤维种类和不同掺量对沥青混合料动稳定度的影响,从纤维对沥青混合料高温性能的影响特征出发,得出不同种类纤维的最佳掺量.结果表明,不同种类的纤维在沥青混合料中对应着不同的最佳掺量;马歇尔试验和高温车辙试验所确定的沥青混合料最佳纤维掺量具有较好的相关性;最后,建立了考虑基体沥青混合料动稳定度与纤维掺量、纤维类型影响的纤维沥青混合料动稳定度的计算模型.     

沥青混合料劈裂试验的细观模型验证与分析

沥青混合料为典型夹杂体材料,其宏观材料设计方法较大程度上忽视了混合料细观不均匀性的影响。因此,该文通过沥青混合料劈裂试验的细观模拟分析,从而获得其细观分布规律。首先,基于数字图像处理技术,实现劈裂试验剖面图的二值化并建立细观有限元模型,然后通过材料试验获得断裂参数;其次,通过室内沥青混合料劈裂试验的数字散斑测量,完成细观劈裂试验的模型验证;最后,基于劈裂模型的有限元模拟,分析细观尺度下力学响应的分布规律。结果表明:水平拉应变集中出现在沥青砂浆相且沿界面传递,砂浆与界面区为抗拉薄弱区。     

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。     

不同级配类型沥青混合料最优尺度选取研究

为研究不同级配类型沥青混合料最优尺度,本文选取三种级配不同的沥青混合料进行多尺度分析。根据多尺度方法,建立反映三种沥青混合料级配材料(AC-5、AC-13、AC-25)的粒料分布模型。通过利用划分的五个尺度区域(2 mm×2 mm,10 mm×10 mm,30 mm×30 mm,60 mm×60 mm,80 mm×80 mm),将3种不同级配沥青混合料从小尺度至大尺度的顺序求算反映材料基本属性的弹性模量E。分析尺度变化对不同级配变化规律,选取适合每种级配类型的最优尺度,并通过试验验证最优尺度方法的合理性。结果表明:随着计算尺度增大,每类级配的沥青混合料弹性模量均增大然后达到稳定,沥青混合料的最优尺度介于该类粒径的2倍公称最大粒径与2倍最大粒径之间。该方法可推广到沥青混合料疲劳损伤过程的力学衰减规律中。     

沥青混合料细观结构离散元分析

为了在细观层次上分析沥青混合料的力学特性,本文用多边形单元模拟粗集料,球形单元粘结在一起模拟沥青玛蹄脂,在细观尺度上建立比较直观、清晰的离散元数值模型,采用3种接触模型描述沥青混合料内部的相互作用,并进行单轴压缩虚拟试验,分析沥青混合料的变形与应力情况。论文对虚拟试验结果进行分析,得出一些重要结论,并对本文的后继研究提出有意义的建议。     

沥青混合料均匀性与性能变异性的关系

为了研究沥青混合料均匀性与性能间的相互关系,基于数字图像处理技术,通过沥青混合料均匀性指标,利用回归方法对沥青混合料均匀性与空隙率、动稳定度及力学强度间的相互关系进行了定量研究。研究结果显示:沥青混合料均匀性与性能的变异性之间存在相关性;均匀性较差的沥青混合料,其性能的变异程度较大;均匀性较好的沥青混合料,其性能的变异程度稍小;表明控制沥青混合料组成结构的均匀性对控制性能变异性有重要意义。     

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。     

高模量沥青混合料性能研究与路面结构响应分析

对高模量沥青混合料的路用性能、力学性能进行了试验研究,应用有限元方法对不同轮轴类型标准荷载下中下面层采用高模量沥青混合料及普通模量沥青混合料的两种沥青路面结构的力学响应进行了对比分析。     

掺水泥乳化沥青冷再生混合料强度影响因素试验研究

采用垂直振动成型方法制备圆柱体试件,通过试验研究了乳化沥青类型和水泥掺量对高速公路路面上面层掺回收料就地冷再生混合料强度的影响。结果表明:与普通中裂乳化沥青冷再生混合料相比,SBR与SBS改性乳化沥青冷再生混合料力学强度可分别至少提高15.0%,9.0%;掺水泥1.5%乳化沥青冷再生混合料的马歇尔稳定度、浸水马歇尔稳定度、劈裂强度和抗剪强度分别至少提高了11.0%,13.0%,19.0%,85.0%。因此,根据力学性能最优原则,选取SBR改性乳化沥青作为冷再生混合料的胶结料;考虑材料经济性问题,建议冷再生混合料中水泥掺量为1.5%。     

硅藻土改性沥青混合料低温抗裂性能研究

将硅藻土掺配在沥青混凝土中,可以改善沥青混合料的物理力学性能,提高路面工程质量。为了确保硅藻土改性沥青混合料的低温抗裂性能,就必须用试验方法来评定它在低温下的性能。通过两种不同的硅藻土,采用压缩应变能、弯曲应变能的方法,进行硅藻土改性沥青低温性能研究。通过室内试验,证明硅藻土改性沥青混合料能够显著改善低温抗裂性能,硅藻土是一种非常好的改性剂。     

硅藻土对沥青温度稳定性的影响

硅藻精土作为一种新型沥青改性材料,掺配在沥青混合料中,可以改善沥青混合料的物理力学性能,提高路面工程质量。本文选用4种硅藻土,进行改性沥青的温度稳定性研究,并运用灰色系统关联度分析方法,找出硅藻土影响改性沥青温度稳定性的主要因素,从而确定硅藻土作为改性剂的基本品质,为硅藻土的使用做好准备工作。     

蒙脱土改性沥青混合料低温抗裂性能研究

将蒙脱土掺配在沥青混凝土中,可以改善沥青混合料的物理力学性能,提高路面工程质量。为了确保蒙脱土改性沥青混合料的低温抗裂性能,就必须用试验方法来评定它在低温下的性能。通过两种武汉市售蒙脱土和实验室纯化蒙脱土,采用压缩应变能、弯曲应变能的方法,进行蒙脱土改性沥青低温性能研究。通过室内试验,证明蒙脱土改性沥青混合料能够有效改善低温抗裂性能。     

再生剂预拌增强型泡沫沥青冷再生混合料性能研究

在泡沫沥青冷再生混合料拌和阶段掺加（0.4%～1.2%）再生剂,将再生剂与RAP进行预拌,制备再生剂预拌增强型泡沫沥青冷再生混合料,以恢复RAP中老化沥青的黏结强度、增强泡沫沥青冷再生混合料的力学性能;基于室内试验与数据分析,研究再生剂对泡沫沥青冷再生混合料力学性能的影响规律。结果表明：掺加再生剂能恢复RAP中老化沥青的黏结强度,改善泡沫沥青冷再生混合料的力学性能。推荐再生剂预拌增强型泡沫沥青冷再生混合料的最佳再生剂掺量为0.8%～1.0%。     

岩沥青改性沥青路面性能研究

根据岩沥青改性沥青混合料室内试验的力学参数,采用力学经验法对岩沥青改性沥青路面长期性能进行预估,结果表明岩沥青改性沥青可以显著提高沥青路面的高温稳定性,改善路面性能。