基于黏弹特性的沥青损伤演化规律分析

摘要

沥青损伤演化规律是指能准确描述荷载作用下沥青内部结构损伤程度的损伤变量的变化规律，多年来，研究者们一直密切关注沥青损伤演化规律的研究，且提出了多种损伤演化函数。但现有的损伤演化函数在内部结构损伤状态描述方面难以体现黏弹特性，未剔除触变性的影响。虽然目前大多数研究以模量和能量的变化以及一些特殊函数（如 Weibull函数等）作为损伤演化函数，但结果并不理想。黏弹本构模型作为沥青核心黏弹特性，从该模型理论角度出发，通过分析以表征内部结构损伤状态改变的黏弹模型参数作为损伤变量，从沥青内部微观结构的变化分析沥青的损伤的方法，为沥青损伤演化规律分析提供新的研究思路。
　　鉴于此，从沥青的损伤特性入手，首先基于常规损伤试验测试动、静载下沥青损伤特性，分析了不同温度、不同沥青下动载下沥青复数模量、相位角、耗散能等动态黏弹参数与静载下沥青蠕变柔量、应变、黏度等黏弹参数随荷载作用次数/时间的变化规律。研究表明，沥青疲劳过程中，沥青宏观黏弹参数复数模量、耗散能、累积耗散能随荷载作用次数增加均呈现两阶段的变化趋势，相位角呈现三阶段的变化趋势。在不考虑设备因素，沥青蠕变损伤过程中，蠕变柔量-时间曲线、应变-时间曲线、黏度-时间曲线均呈现两阶段的变化趋势。同时设计并验证了多阶段疲劳试验/多阶段蠕变试验，为获取沥青内部结构黏弹模型特征参数奠定基础。
　　其次，基于多阶段疲劳试验/多阶段蠕变试验分析沥青损伤过程中内部结构黏弹参数主曲线簇损伤演化规律，在此基础上结合 CAM模型进行沥青内部结构状态随损伤变化的初步分析。研究发现，荷载作用初期，沥青内部结构黏弹参数主曲线基本重合，随着荷载作用时间增加沥青复数模量-频率主曲线向纵坐标轴反方向平行移动，且其间距不断增大，相位角-频率主曲线在反方向移动时，后期高频范围内相位角也不断降低。复数模量-相位角主曲线簇在不断向纵坐标轴反方向移动的同时，且其弧线状主曲线呈现曲线两端先缩短后增长的趋势；弧线状损耗模量-储存模量主曲线簇呈现弧度与弧长度不断缩短的变化趋势。沥青疲劳/蠕变损伤过程中，CAM模型参数*Gg、 fc、fd、Rd、md基本保持恒定，表征沥青内部结构松弛时间谱宽度的模型参数R(k，me)随荷载作用时间增加均呈现前期基本恒定、后期由快及慢不断增大的变化趋势。
　　最后，基于经典本构模型广义Kelvin-Voigt模型与分数阶导数模型1S2P1D，分析了多个表征沥青内部结构状态的模型特征参数的变化规律。基于此，选取对损伤敏感性高的模型参数作为沥青损伤变量，并基于沥青损伤变量阐述了沥青损伤演化规律。研究发现，表征沥青核心黏弹性质的C AM模型参数 R值、广义Kelvin-Voigt模型参数松弛模量E2、E3、E4模型特征参数具有明显的变化规律，结合均匀分布的均方差值分析，本研究选取参数 E2+E3/2作为沥青疲劳/蠕变损伤变量。沥青疲劳损伤过程中，沥青松弛模量E2+E3/2呈现两个明显的变化阶段。第一阶段松弛模量E2+E3/2参数基本保持恒定，这从内部结构稳定状态的角度剔除了疲劳荷载作用前期触变性的影响；疲劳第二阶段松弛模量E2+E3/2参数基本呈现初期线性减小、后期由快及慢不断减小的变化趋势，经验证其受界面裂纹扩展机制所影响。沥青蠕变损伤过程中，沥青松弛模量E2+E3/2呈现两个明显的变化阶段。蠕变第一阶段松弛模量E2+E3/2缓慢线性下降；蠕变第二阶段，松弛模量 E2+E3/2参数呈现迅速线性减小的变化趋势。
　　论文阐述了沥青损伤过程中内部结构黏弹参数主曲线簇与表征内部结构状态模型特征参数的变化过程，为沥青损伤演化规律的提出与力学性能的预测提供了理论依据，同时也为其他黏弹性材料损伤演化研究提供一定的参考与依据。

目录

第1章 绪 论

1.1 研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 主要研究内容及技术路线

第2章 沥青损伤特性的研究方法

2.1 试验原材料

2.2 试验仪器及试件制备

2.3 试验方法

2.4 本章小结

第3章 基于内部黏弹参数主曲线簇的沥青疲劳损伤演化规律分析

3. 1 动载疲劳损伤特性分析

3. 2 疲劳损伤过程中内部黏弹参数主曲线簇的变化规律

3. 3 基于CAM模型的沥青内部黏弹参数主曲线簇变化规律分析

3. 4 本章小结

第4章 基于内部黏弹参数主曲线簇沥青蠕变损伤演化规律分析

4. 1 静载蠕变损伤特性分析

4. 2 蠕变损伤过程中内部黏弹参数主曲线簇的变化规律

4. 3 基于CAM模型的沥青内部黏弹参数主曲线簇变化规律分析

4. 4 本章小结

第5章 基于黏弹模型的沥青损伤演化规律分析

5. 1 黏弹本构模型的选取

5.2 基于广义Kelvin-Voigt模型的沥青损伤演化规律分析

5 . 3 基于1S2P1D模型的沥青损伤演化规律分析

5. 4 沥青损伤变量的提出

5. 5 基于损伤变量的沥青损伤演化规律分析

5. 6 本章小结

结论

二、本文的创新点

三、展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢