基于离散元方法的乳化沥青冷再生混合料疲劳性能研究

摘要

现今我国公路大规模进入养护维修期，干线公路大中修工程中沥青路面废料的产生量达1.8亿吨/年，因此必须加快推进公路路面材料循环利用工作。乳化沥青冷再生混合料越来越频繁地被应用于路面结构中，冷再生层适用于中、下面层或柔性基层，其旧料利用率可达80％～100％，多年的工程实践表明其路面结构使用状况良好，具有较好的工程性和环境适应性。
　　疲劳裂缝是乳化沥青冷再生结构层的一种常见病害形式，混合料的疲劳性能显著影响其结构层的抗疲劳破坏性能，离散元法已被广泛运用于沥青混合料疲劳性能的研究中，采用离散元法模拟疲劳试验，能直观分析沥青混合料细观裂纹扩展和断裂过程，且能节省大量室内试验时间;在混合料配合比设计过程中，含水率的确定是一重要环节，含水率的大小影响混合料的拌和、击实和养生后的空隙率的大小，从而影响混合料的路用性能，因此有必要深入研究乳化沥青冷再生混合料的含水率确定方法和采用离散元数值模拟方法研究其疲劳性能。
　　本文以乳化沥青冷再生混合料为研究对象，通过改进混合料最佳含水率的确定方法优化了乳化沥青冷再生混合料设计方法，研究了乳化沥青冷再生混合料疲劳试验离散元模拟方法，运用PFC3D软件建立了间接拉伸疲劳试验模型，研究了空隙率大小对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能的影响。
　　首先，基于能量等效原理对确定乳化沥青冷再生混合料最佳含水率的重型击实试验进行改进，提出了乳化沥青冷再生重型击实试验方法，与采用我国规范中的设计方法设计的混合料相比，采用本文提出的方法设计的混合料的路用性能有所提高，其中应力水平为250kPa时的疲劳寿命提升了341.1％。
　　其次，根据乳化沥青冷再生混合料的特点和试验设备条件确定了疲劳试验方法和试验参数，构建了考虑粗集料不规则形状、级配特征和混合料空隙率的几何模型，采用Burgers模型描述乳化沥青-水泥砂浆的黏弹性力学行为，通过粘结半径衰减反映混合料的疲劳损伤特征，确定了离散元模型参数并设置边界条件，建立了疲劳试验三维离散元模型以模拟室内疲劳试验，数值模拟结果与室内试验结果最大误差为10.11％，说明所建立的疲劳试验离散元模型是合理可行的。
　　最后，以室内疲劳试验和所建立的离散元疲劳试验模拟方法为基础，根据试件轴载位移、拉伸应变和劲度模量与重复荷载作用次数的关系曲线和疲劳试验过程试件内部的接触情况，分析了乳化沥青冷再生混合料的疲劳开裂行为，其疲劳破坏过程主要经历迅速损伤、稳定损伤和快速损伤三个阶段;研究了空隙率大小对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能的影响，应力水平为300kPa时，混合料的疲劳寿命随着空隙率的增大而缩短，空隙率为12.0％的混合料的疲劳寿命仅为空隙率为6.0％的混合料的疲劳寿命的6.0％，说明空隙率大小显著影响乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 乳化沥青冷再生混合料量佳含水率确定方法研究现状

1．2．2 乳化沥青冷再生混合料疲劳性能研究现状

1．2．3 离散元方法在沥青混合料分析中的应用研究现状

1．3 主要研究内容与技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

2 乳化沥青冷再生混合料最佳含水率确定方法研究

2．1 乳化沥青冷再生混合料配合比设计

2．1．1 原材料测试

2．1．2 矿料级配设计

2．1．3 确定量佳含水率和最佳乳化沥青用量

2．1．4 混合料体积指标，性能验证

2．2 乳化沥青冷再生混合料最佳外加水量确定方法研究

2．2．1 乳化沥青冷再生流体含量法

2．2．2 不同外加水量确定方法对混合料路用性能的影响分析

2．3 乳化沥青冷再生混合料最佳含水率试验方法研究

2．3．1 击实试验等效击实次数换算

2．3．2 乳化沥青冷再生重型击实试验方法

2．4 本章小结

3 乳化沥青冷再生混合料疲劳试验离散元模拟方法研究

3．1 乳化沥青冷再生混合料疲劳试验方法和试验参数的确定

3．1．1 疲劳试验方法

3．1．2 疲劳试验参数

3．1．3 离散元计算参数的选取

3．2 虚拟疲劳试验几何模型构建

3．2．1 集料三维空间形状的生成

3．2．2 粗集料级配特征的模拟

3．2．3 乳化沥青-水泥砂浆和空隙结构的模拟

3．3 离散元模型的细观力学参数的确定

3．3．1 离散元模型内单元接触模型

3．3．2 集料和砂浆参数的确定

3．3．3 劈裂试验的离散元模拟

3．4 疲劳试验离散元模型的确立

3．5 本章小结

4 空隙率对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能的影响研究

4．1 疲劳开裂行为分析

4．1．1 现象学疲劳性能研究理论

4．1．2 试件在疲劳试验过程的中开裂行为分析

4．1．3 疲劳曲线和疲劳方程

4．2 空隙率对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能的影响

4．2．1 乳化沥青冷再生混合料的空隙结构特征

4．2．2 空隙率大小对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能的影响

4．3 最佳含水率试验方法对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能的影响

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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