沥青混合料直接拉伸试验与断裂细观模拟研究

设计并开展了不同加载速率和不同温度下的沥青砂单轴拉伸试验,针对沥青砂软化行为提出了损伤本构模型,模型参数通过试验确定,利用随机骨料投放技术建立了沥青混合料直接拉伸试件的异质细观结构有限元模型,并利用模型模拟了直接拉伸载荷作用下试件的损伤断裂行为,最后考察了裂纹形成的形态以及骨料分布对混合料直接拉伸损伤破坏行为的影响。研究表明:模型能描述沥青混合料单轴拉伸损伤破坏过程与内部损伤分布;粗骨料分布基本不影响沥青混合料的断裂路径,但影响裂纹尖端附近区域的损伤分布。     

高黏弹性沥青砂的抗裂性能研究

应用断裂能理论来研究高黏弹性沥青砂的抗裂性能。通过在不同的试验温度与加载速率条件下进行SCB试验(Semi-Circular Bending Test,半圆弯拉试验),来分析温度与加载速率对破坏荷载和断裂能的影响,研究结果表明:当试验温度保持恒定时,试件的最大破坏荷载随着加载速率的增大而增大,试件的断裂能与加载速率呈负相关;当加载速率保持不变时,试件的最大破坏荷载将随着温度的升高而降低,试件的断裂能与试验温度呈正相关;该试验所需装置简单、试件制作方便、价格低廉,可以作为沥青混合料抗裂设计的标准试验方法。此外,运用ABAQUS有限元软件模拟试验过程并进行参数敏感性分析,将数值模拟结果与试验结果对比,验证了采用断裂能评价高黏弹性沥青砂抗裂性能的有效性。     

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。     

三维应力状态下沥青混合料动态模量归一化

沥青混合料的动态模量是路面力学响应分析和结构设计的重要参数之一。为客观表征不同应力状态、试验温度及加载频率等试验条件对沥青混合料动态模量的影响规律，建立复杂服役条件下沥青混合料的动态模量预估模型，揭示沥青混合料动态模量的服役状态相关性。首先开展了不同温度、不同加载速率下沥青混合料的单轴压缩、间接拉伸及直接拉伸强度试验，揭示了不同温度下沥青混合料强度随加载速率的幂函数变化规律，为模量试验应力比的确定提供了依据。进而据此开展了不同温度与不同加载频率下沥青混合料的单轴压缩、间接拉伸及直接拉伸动态模量试验，提出了以等效应力比表征三维应力状态下模量试验应力比的沥青混合料动态模量分析方法，并基于时-温等效原理，采用Sigmoidal函数，建立了基于三维应力状态下等效应力比的动态模量归一化预估模型，实现了不同试验方法下沥青混合料动态模量的统一表征。研究结果表明：不同试验温度与应力状态下沥青混合料的强度均随加载速率的增大而增大，基于等效应力比表征的三维应力状态下模量试验应力比可实现不同试验条件下沥青混合料动态模量的统一表征，避免了路面结构设计时人为选取材料模量设计参数导致的设计结果不确定性。研究可为提...     

基于DMA方法的沥青砂浆动态弯拉黏弹特性

为了研究沥青砂浆的动态弯拉黏弹特性及其影响因素,提出了一种基于动态力学分析方法(DMA)的沥青砂浆动态弯拉试验方法,并对7种沥青砂浆进行了不同条件下的动态应变和频率扫描试验,分析加载频率、温度、油石比、沥青种类和矿料级配对沥青砂浆线黏弹性应变范围及黏弹性能的影响。基于时温等效原理,采用非线性最小二乘法绘制参考温度为20℃的沥青砂浆动态弯拉模量和相位角主曲线。研究结果表明:基于DMA方法的动态弯拉扫描试验,是一种能够有效、可靠评价沥青砂浆的动态弯拉黏弹特性的测试方法;沥青砂浆的弯拉线黏弹性应变范围与加载频率成正比,与温度成反比;增加油石比,会显著降低沥青砂浆的弯拉线黏弹性应变范围和高温低频条件下的动态模量,增大相位角峰值及温度敏感性,而对低温高频条件下的动态模量与相位角影响较小。相比于普通基质沥青,采用SBS改性沥青和橡胶沥青,均能增加沥青砂浆的弯拉线黏弹性应变范围与动态模量,减小其相位角峰值与温度敏感性,大幅改善沥青砂浆在高温低频条件下的动态弯拉黏弹特性。矿料级配是影响沥青砂浆体积参数与动态黏弹特性的重要因素,较粗的矿料级配会显著降低沥青砂浆的弯拉线黏弹性应变范围和动态模量,增大相位角峰值和温度敏感性。     

复合式路面层间界面力学特性试验研究

为了研究复合式路面层间界面的力学特性,通过自主研发设计的一种原理简单的直接拉伸仪器和层间剪切试验仪,对高黏弹沥青砂与水泥混凝土板复合式路面的层间界面拉伸与剪切特性进行了试验研究。研究结果表明:沥青砂与混凝土界面的抗拉强度随着加载速率的增大而增大,随着温度的升高而降低,从而可知在夏季高温时,沥青砂与混凝土之间的界面容易发生拉伸破坏;结构层间的的抗剪强度随着温度的升高而减小,随着加载速率的增大而增大,随着法向应力增大而增大。文中有关结论可为进一步研究层间界面力学与路用性能的关系、高黏沥青砂应力吸收层的设计与施工提供指导。     

基于三点弯曲试验的ATB-25弯拉特性的研究

通过沥青稳定碎石基层ATB-25沥青混合料的三点弯曲试验,研究了温度及加载速率对弯拉强度、弯拉应变及弯曲劲度模量的影响规律。在较大试验温度范围内,施加两组加载速率对ATB-25沥青混合料小梁试件的弯拉特性进行试验研究。结果表明:高加载速率条件下试件破坏的弯拉强度大于低加载速率下的弯拉强度;温度越高,高低荷载速率之间的弯拉强度差别越大。低荷载速率条件下的弯拉应变约为高荷载速率下的1.5~2.5倍,且在温度低于25℃时,小梁试件的弯拉应变与温度之间有较好的指数变化规律。同时,其弯曲劲度模量与温度之间也呈现良好的指数关系。对比分析了高低荷载速率条件下的指数回归方程参数,表明了低荷载速率条件下的ATB-25沥青混合料表现出较佳的抗裂性能。通过对小梁试件破坏前的弯曲应变能的计算,可得知其在常温域(15℃)附近具有最大的弯曲应变能。     

土工格栅加筋路基土的松弛特性

为了研究土工格栅加筋路基土在长期车辆荷载条件下的流变特性,采用格栅材料的黏弹特性与土体的非线性弹性本构模型,分析了路基加筋土复合材料的应力松弛方程,通过三轴流变加载试验与理论对比分析,验证了所建立的松弛方程能够很好地描述加筋土的松弛特性及各因素的影响规律.结果表明:在初始剪应力相同的情况下,加筋土试件的松弛速率与松弛幅...     

水泥稳定碎石基层的弹塑性特性

为了认识水泥稳定碎石基层的弹黏塑性特性,优化路面结构的设计计算,选用路面常用的骨架密实和悬浮密实2种水泥稳定碎石基层材料,振动压实成型了Φ150×150 mm标准圆柱体试件,应用微机控制万能试验机,设定不同加载速率(0.5,1,1.5,2,4 mm·min~(-1)),进行简单加载、循环加卸载、抗压回弹模量、徐变和松弛等试验,测试试件的应力-应变及其随时间的变化,分析强度、刚度、徐变与松弛等变化规律及加卸载应力-应变特性,研究水泥稳定碎石基层的弹塑性特性,提出改进型本构模型。结果表明:加载速率对试验结果的总体影响小于4.4%(相对误差),且60 min的徐变变形最大为0.03%,14 min的应力松弛最大为6.9%,表明水泥稳定碎石基层的黏性极弱,可以忽略不计;每次加载卸载后均有回弹变形和永久变形出现,反映了水泥稳定碎石基层的弹塑性性质,且服从有应力强化的弹塑性固体模型,可以用广义圣维南模型模拟分析;提出的改进型邓肯-张本构模型数值模拟具有很好的有效性,可以用来分析水泥稳定碎石的应力-应变曲线;0.4σ_(max)(σ_(max)为水稳碎石混合料的破坏强度)对应的割线模量十分接近传统的回弹模量,说明简化的0.4σ_(max)取值法可以用来测试水泥稳定碎石基层的回弹模量;从总体路用技术性能来看,骨架密实型的水泥稳定碎石基层要优于悬浮密实型。     

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。     

基于应力松弛试验下的沥青混合料非线性粘弹性模型研究

为了能够更好地分析沥青混合料的应力、应变变化的规律,通过对不同老化程度的沥青混合料AC-13C进行不同温度、不同应力水平下的应力松弛试验,得到其应力松弛模量随时间变化的关系曲线。并利用分数阶指数模型来表征沥青混合料的应力松弛性能,同时应用非线性回归方法得到各参数与老化时间、应变、温度的关系,确定最终的非线性粘弹性模型。研究结果表明,采用控制应变方式的应力松弛试验可用于评价沥青混合料的的应力松弛能力;沥青混合料的老化程度越高,其低温抗裂性能也就越差;温度越高,应力松弛的越快;初始应变的越小,其应力松弛能力也就越小,即初始应变小的松弛模量曲线相对平缓;利用分阶指数模型能较好地模拟沥青混合料的粘弹性性质,且与试验结果吻合得很好。     

基于黏弹性理论的沥青混合料劈裂疲劳模型研究

依据黏弹性理论，对沥青混合料的疲劳预测模型进行推导，从动态加载的角度建立劈裂疲劳预测模型并通过蠕变试验和重复加载试验确定模型参数（蠕变柔量、m值、松驰模量以及拟应变），并以实测劈裂疲劳试验对模型进行验证。     

ECA-10型沥青混合料动态性能研究

为了确定ECA-10型沥青混合料的动态性能,采用简单性能试验仪进行动态模量试验和动态蠕变试验,运用时温等效原理和修正Burgers模型分别构建了ECA-10型沥青混合料的动态模量主曲线和黏弹性力学模型。研究结果表明:相同温度和加载频率下,ECA-10型沥青混合料动态模量普遍较高,抗变形能力较强;依据Sigmoidal函数方程,建立了参考温度为20℃时ECA-10型沥青混合料的动态模量主曲线,线簇光滑连续,具有较高的拟合度。在相同荷载作用次数下,ECA-10型沥青混合料随着温度或偏应力的增大,其动态蠕变逐渐增大。建立了重复荷载作用下ECA-10型沥青混合料黏弹性力学模型,相关性系数在0.98以上,其拟合结果与实测结果吻合较好。     

乳化沥青水泥稳定碎石的变形特征试验研究

采用室内试验和对比方法,研究不同温度下,乳化沥青的掺入对水泥稳定碎石的弯拉变形及动态模量的影响规律。研究结果表明:乳化沥青水泥稳定碎石抗弯拉性能良好,常温及低温时的极限弯拉变形及应变功要大于不掺乳化沥青的普通水泥稳定碎石的极限弯拉变形及应变功,高温时两者弯拉性能相近;乳化沥青水泥稳定碎石具有类似沥青混合料的黏弹性特征,回归得到了乳化沥青水泥稳定碎石动态模量与乳化沥青掺量、温度和加载频率之间的关系式。室温下,年变化周期时的乳化沥青水泥稳定碎石动态模量较普通水泥稳定碎石的动态模量下降20%~32%。     

沥青混合料破坏阶段的黏弹性行为

采用基于连续破坏力学和功势原理的模型对沥青混合料破坏阶段的黏弹性行为进行研究.该模型中利用虚应变来描述沥青混合料的时间依赖性,利用破坏参数和虚劲度模量的关系描述沥青混合料的破坏特性.通过不同条件下的复数模量试验确定了沥青混合料的线黏弹性力学参数,进行了不同条件下的恒应变率压缩试验来确定沥青混合料的破坏特性.确定了破坏参数、应力的勒贝格范数和虚劲度模量之间的关系,进而用线性分段法计算了沥青混合料的黏弹性应变.利用该模型对不同条件下的恒应变率压缩试验结果进行了分析.结果表明:预测值和实测值吻合良好.     

紫外光作用下沥青砂性能演变研究

为研究沥青砂材料的黏弹性能受紫外光作用的影响规律，采用室内紫外光照射法，分别对AS-16沥青砂试样进行0，4，8，12，16，24天的持续照射。基于紫外光照射不同时长的沥青砂试件蠕变试验的应变时间历程曲线，求得各沥青砂试件的黏弹性参数，并采用不同柔量值占总柔量值的比例，确定沥青砂的力学性能。试验结果表明:紫外光照射会加速沥青砂性能演变，且照射时间越长，沥青砂柔量值的弹性比例越大，沥青砂抵抗瞬时和永久变形的能力也随之增强，而疲劳性能和抗裂性能随之降低。     

试件类型和加载模式对沥青混合料动态模量的影响研究

为分析试件类型和加载模式对沥青混合料动态模量的影响,采用法国梯形梁试验机和美国沥青混合料性能试验仪,对SMA-m13沥青混合料试件在弯拉和压剪两种受力模式下进行动态模量试验,分析试验温度和荷载频率对梯形梁和圆柱体试件动态模量和相位角的影响。试验结果表明:两点弯拉动态模量与单轴压缩动态模量受荷载频率和温度的影响变化趋势基本一致,在相同试验条件下两点弯拉动态模量小于单轴压缩动态模量;影响两点弯拉动态模量的主要因素为沥青胶结料,单轴压缩动态模量主要受矿料骨架嵌挤作用的影响。     

含纤维高粘沥青砂粘弹性特性的研究

为了研究含纤维高粘沥青砂的粘弹性特性,对含有木质素纤维和玄武岩纤维的两种高粘沥青砂试件在不同温度下进行小梁弯曲蠕变试验。分析和比较蠕变挠度曲线和劲度模量曲线得到加入玄武岩纤维的沥青砂性能更加稳定;利用时温等效理论得到松弛模量主曲线,使用origin8软件进行拟合,标定出广义的Maxwell模型的Prony级数形式的参数,相关系数达到0.98。拟合效果良好,可为数值模拟提供参数,从而能为工程实践提供参考依据。     

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。     

基于单轴静载蠕变试验的AC-13高温性能影响研究

采用单轴静载蠕变试验对AC-13沥青混合料的高温性能影响因素进行研究,分析不同级配、温度及荷载对AC-13高温性能的影响。结果表明,沥青混合料在加载过程中会经历瞬时变形、弹性恢复和黏性流动3个阶段;采用级配1成型的混合料在同一条件下的劲度模量高于采用级配2和级配3成型的混合料;荷载一定时,AC-13沥青混合料的劲度模量随温度升高而降低,残余应变比则相反;温度一定时,AC-13沥青混合料的劲度模量和残余应变比均呈上升趋势,但不同级配混合料的增长速度不一致;级配是显著影响沥青混合料高温稳定性的因素之一。