基于量子化学的沥青热老化与紫外老化机理

为从原子层面揭示沥青热老化与紫外老化的底层机制,基于从头算分子动力学和密度泛函理论分析了沥青质在多种温度及紫外辐射条件下的老化反应路径与反应势能参数;基于傅里叶变换红外光谱试验,分析了原样沥青、热老化沥青和紫外老化沥青试样表面化学官能团的变化规律,比较了它们的老化程度。研究结果表明：沥青质老化涉及的亚反应包括由氧气或自由基攫氢所触发的环烷芳构化与含氧基团形成,以及直接的侧链均裂;沥青质老化机理可归纳为沥青质在氧气分子或自由基的侵袭下不断失去氢原子并转化为具有高反应性的不稳定结构,因而经由分子异构化或吸附氧原子等后续反应来降低自身能量,由此引发了沥青质老化行为的持续进展;温度提升不仅加快老化反应速率,还使更多类型的老化反应得以发生;芳构化反应的能垒最低,因此,在较低温度下即可发生,含氧基团的形成次之,而侧链均裂反应的能垒最高,只能在较高温度下才发生;在紫外线辐射下,沥青质分子跃迁至激发态,其反应能垒相比基态显著降低,能大幅加快老化反应;傅里叶变换红外光谱测试结果表明紫外老化沥青试样的老化程度远高于热老化沥青试样,验证了理论计算结果。     

沥青混合料蠕变损伤模型与损伤演化

为定量描述沥青混合料的蠕变特性,考虑沥青混合料在整个蠕变过程中同时存在蠕变硬化机制和蠕变损伤劣化机制,基于分数阶微积分理论,发展了一种相对简单的分数阶蠕变损伤模型,用分数阶Maxwell模型来描述蠕变硬化机制,用损伤应变来表示蠕变损伤劣化机制,并从统计学角度推导出沥青混合料的损伤演化方程;对AC-13沥青混合料进行了不同应力水平(0.179、0.358、0.448、0.537和0.716 MPa)下的单轴压缩蠕变试验,通过Levenberg-Marquardt优化算法进行了非线性拟合,确定了不同应力水平下分数阶蠕变损伤模型的参数与损伤演化曲线;为构建不同应力水平下统一的损伤演化模型,提出了一种统计量化沥青混合料损伤演化的方法,建立了蠕变损伤与损伤应变之间的演化关系。研究结果表明：在不同应力水平下,提出的分数阶蠕变损伤模型与试验结果的判定系数均不小于0.995,适用于描述包括衰减蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段的整个蠕变过程;在衰减蠕变阶段,不同应力水平下沥青混合料的损伤都小于1.0×10^-3,相对于蠕变破坏时的损伤0.8可以忽略不计,而进入稳定蠕变阶段以后,损伤逐渐增大;当沥青混合料的蠕变应力超过一定值时会发生蠕变破坏,其流值时间取决于所施加的应力水平;用二参数Weibull分布函数拟合所得的蠕变损伤与损伤应变之间演化关系的判定系数为0.992,说明可以建立不同应力水平下的统一损伤演化模型,且其参数只与材料性能和温度有关,与施加应力大小无关。