聚合物改性沥青流变建模及其流变性能的预测

摘要

沥青是一种典型的粘弹性材料，兼具流体的粘滞性和固体的弹性，其在不同条件下的粘弹性质与沥青路面的性能密切相关。流变模型是沟通试验-理论-应用之间的媒介，它以明确的数学表达式反映出材料在外界因素作用下的力学响应及材料本身的内在特性，且流变模型可以和日益先进的计算机辅助技术结合，从细观结构层面分析沥青材料的粘弹性质，对于更深入的理解沥青材料的粘弹性具有重要的意义。 本文以聚合物改性沥青为研究对象，利用流变特性测试与模型分析仪分别建立了SBS改性沥青和胶粉改性沥青的流变模型，研究了改性剂（SBS、胶粉）掺量和温度对改性沥青流变模型及其粘弹性（瞬时弹性、推迟弹性和粘性）的影响，讨论了SBS改性沥青微观结构与流变模型的关系，并基于所建立的流变模型对聚合物改性沥青的流变性能进行了预测验证；最后还采用X-ray CT技术无损扫描SBS改性沥青混合料试件，通过图像处理技术建立了包括沥青胶砂、集料和空隙在内的三维数值试样，然后基于SBS改性沥青胶砂的流变模型和ANSYS平台对三维数值试样进行了劈裂试验的模拟计算，并与实际结果进行了对比验证，讨论了沥青混合料内部力学响应的分布和变化。主要结论如下： （1）采用流变特性测试与模型分析仪建立了SBS改性沥青的流变模型。结果表明，在20℃时，当SBS掺量为3~5%和7~9%时，改性沥青的流变模型分别为Burgers模型和五元件模型(即H-(H|N)-(H|N))，60℃时，当SBS掺量分别为3%、5~7%和9%时，改性沥青的流变模型分别为Maxwell模型、Burgers模型和五元件模型。 （2）依据建立的SBS改性沥青流变模型及获得的模型参数分析表明，改性沥青的瞬时弹性变形和推迟弹性变形随SBS掺量及温度的增加而逐渐提高，20℃时，SBS掺量从0%增加到5%，改性沥青的瞬时弹性变形增大了0.773倍，推迟弹性变形提高了0.87倍。改性沥青的粘性变形随着SBS掺量的增加逐渐下降，随温度升高而逐渐提高，从20℃升至60℃，5%SBS掺量的改性沥青粘性变形增加了13.86倍，温度升至40℃时，粘性变形增加尤其明显。 （3）SBS改性沥青的流变模型与其微观结构密切相关。当SBS掺量较少时（3%），改性沥青为“海岛”结构，在20℃时的流变模型为Burgers模型，60℃时转变为Maxwell模型，随着SBS掺量增多（5%和7%），改性沥青微观结构逐渐转变为互穿网络结构，20℃时其流变模型分别为Burgers模型和五元件模型，在60℃时均为Burgers模型；SBS掺量为9%时，改性沥青的微观结构转变为SBS为连续相的网络结构，在20℃和60℃时其流变模型均为五元件模型。 （4）采用流变特性测试与模型分析仪建立了胶粉改性沥青的流变模型。结果表明，在20℃和60℃，当掺量为10~25%时，胶粉改性沥青流变模型均为Burgers模型。对于15%、20%掺量的胶粉改性沥青，温度在20~80℃和100℃时，改性沥青的流变模型分别为Burgers模型和Maxwell模型。 （5）依据建立的胶粉改性沥青流变模型及获得的模型参数分析表明，改性沥青的瞬时弹性变形随着胶粉掺量和温度的升高逐渐提高，且变化趋势与胶粉掺量成线性关系。改性沥青的粘性变形随着胶粉掺量的增加逐渐下降，当胶粉掺量在10%~20%时下降尤为明显，温度升高使改性沥青的粘性变形逐渐增加，当温度从20℃升至60℃时，改性沥青粘性变形增加最为明显，温度继续提高到100℃后，粘性下降速度减缓。 （6）基于SBS改性沥青和胶粉改性沥青的流变模型和参数，利用有限元软件ANSYS可以预测改性沥青在间歇荷载下的重复蠕变曲线，结果表明，蠕变预测曲线与试验曲线接近，且能准确模拟出改性沥青的残余应变和推迟弹性，表明通过改性沥青的流变模型和参数可以对其流变性能进行较准确的预测。 （7）通过X-ray CT扫描SBS改性沥青混合料，采用图像处理技术获得表征混合料细观分布的三维数值试样，然后以SBS改性沥青胶砂的流变模型表征其粘弹特性，并基于ANSYS平台预测SBS改性沥青混合料在不同加载速率下的劈裂强度，结果表明，不同加载速率下的预测劈裂强度和实际劈裂强度存在误差，且预测结果和试验结果的误差与加载速率呈线性关系，根据这种线性关系对模拟结果进行修正后，修正后的误差最大仅为0.71%。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 沥青及其混合料流变性能的研究进展

1.2.1 针入度测试

1.2.2 粘度测试

1.2.3 动态力学测试

1.3 沥青及其混合料流变模型的研究现状

1.4 材料流变特性测试与模拟预测分析仪简介

1.5 本论文研究目的和主要研究内容

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究内容

第2章 SBS改性沥青流变建模及其流变性能的预测

2.1 引言

2.2 试验部分

2.2.1 试验原料

2.2.2 试验设备

2.2.3 SBS改性沥青的制备

2.3 物理性能测试

2.3.1 常规物理性能测试

2.3.2 流变模型的建立

2.3.3 荧光显微镜测试

2.3.4 重复蠕变试验

2.4 结果与讨论

2.4.1 SBS掺量对改性沥青流变模型的影响

2.4.2 温度对SBS改性沥青流变模型的影响

2.4.3 不同温度下SBS掺量对改性沥青粘弹性能的影响

2.4.4 SBS改性沥青的微观结构与流变模型的相关性

2.4.5 基于流变模型和有限元分析的SBS改性沥青流变性能的预测及

2.5 本章小结

第3章 胶粉改性沥青流变建模及其流变性能的预测

3.1 引言

3.2 试验部分

3.2.2 试验设备

3.2.1 试验原料

3.2.3 胶粉改性沥青的制备

3.3 物理性能测试

3.4 结果与讨论

3.4.1 胶粉掺量对改性沥青流变模型的影响

3.4.2 温度对改性沥青流变模型的影响

3.4.3 不同温度下胶粉掺量对沥青粘弹性能的影响

3.4.5 基于流变模型和有限元分析的胶粉改性沥青流变性能的预测及

3.5 本章小结

第4章 SBS改性沥青混合料流变性能预测

4.1 引言

4.2 劈裂试验

4.2.1 试验原料

4.2.2 混合料级配选择及试件制备

4.2.3 SBS改性沥青混合料劈裂试验

4.2.4 SBS改性沥青胶砂流变模型的建立

4.3 三维数值试样的构建

4.3.1X-ray CT技术

4.3.2 三维数值试样构建技术

4.4 劈裂试验的数值模拟

4.4.1 材料属性的确定

4.4.2 荷载和边界条件

4.5结果与讨论

4.5.1 数值模拟符合性检验

4.5.2 应力分布变化分析

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间学术成果