乳化沥青冷再生混合料的裂纹发展行为及抗裂机理研究

摘要

乳化沥青就地冷再生技术是以乳化沥青作为再生剂，适当添加水泥、新料等，采用就地冷再生机组设备对旧沥青路面进行铣刨、再生利用的一项技术。根据目前的长期跟踪观测，针对我国公路半刚性基层沥青路面，乳化沥青冷再生混合料作为干线公路的中下面层，路面使用状况良好，具有较好的工程和环境适应性，能够有效地延缓反射裂缝。随着乳化沥青厂拌冷再生和就地冷再生工程在我国逐步大规模地使用，应充分认识乳化沥青冷再生混合料作为“冷料”的材料性质，有必要对乳化沥青冷再生混合料的裂纹发展行为及抗裂机理进行深入系统的研究。
　　首先，以乳化沥青冷再生混合料为研究对象，根据初始压实阶段和设计压实阶段的压实曲线特征，提出初始压实能量指标PCEI和设计压实能量指标SCEI，用于评价乳化沥青冷再生混合料的压实特性。考虑乳化沥青混合料配合比设计中的影响因素，分析压实温度、乳化沥青含量、含水率、再生混合料级配以及初始养生时间对压实参数的敏感性，获得设计压实次数Ndes与显著影响因素的回归方程，提出乳化沥青冷再生混合料设计压实次数Ndes确定的新方法。根据PCEI最大时对应的含水量和SCEI最小时对应的含水量，提出确定乳化沥青冷再生混合料的最佳含水量的新方法。
　　其次，利用X射线断层扫描技术分析乳化沥青冷再生混合料的细观结构。采用改进的OTSU法将乳化沥青冷再生混合料分割成粗集料、空隙、砂浆三部分。通过数字图像处理技术分析体积参数与分布特征。采用集料分布均匀性指数、平均长轴倾角、长轴倾角集中度、扁平比、棱角性指数以及表面纹理指数分析粗集料特征;根据空隙的数量、等效直径以及空隙“级配”分析空隙特征;通过沥青砂浆的厚度与分布形态分析沥青砂浆特征。
　　然后，采用Arcan断裂试验评价乳化沥青冷再生混合料的复合型抗裂性能，获取断裂强度、开裂角度和断裂能等关键参数。同时，结合非接触式数字图像相关法DIC捕捉Arcan断裂试验过程，计算断裂区域的位移场、应变场，分析乳化沥青冷再生混合料的复合型开裂行为。结果发现:Arcan试验的断裂能作为更加全面的评价指标，在一定程度上不受试验温度条件的影响，更能体现沥青混合料自身的抗裂性能。乳化沥青冷再生混合料的裂缝发展包括起裂、稳定扩展以及失稳扩展三个阶段。开裂路径是动态选择的过程。在断裂过程中，裂缝的发展始终朝向产生断裂所需能耗最小的方向进行，主要集中在粗集料与乳化沥青砂浆的界面处，从而形成最终的开裂路径。
　　接着，根据乳化沥青冷再生混合料的细观结构，在PFC3D软件中构建三维数字试件，改进传统的位移软化模型，确定合理的细观力学参数，进行Arcan虚拟试验。通过离散元模型中细观结构与力学参数的影响分析，研究乳化沥青冷再生混合料的抗裂机理。结果发现:相比于热拌沥青混合料，乳化沥青冷再生混合料具有较大破坏应变与较小的失效应力，有利于抗裂性能的提高。
　　最后，采用间接拉伸IDT疲劳试验与半圆弯曲SCB疲劳试验，同时结合DIC技术，分析乳化沥青冷再生混合料的疲劳开裂行为。结果发现:乳化沥青冷再生混合料在较低应力比条件下比热拌沥青混合料表现出更好的抗疲劳性能。
　　通过本文的研究成果，为沥青混合料的开裂行为与机理研究提供了有效的途径，同时有利于理解乳化沥青冷再生混合料的力学行为，提高乳化沥青冷再生混合料的抗裂性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 乳化沥青冷再生混合料设计方法研究

1．2．2 乳化沥青冷再生混合料抗裂性能研究

1．2．3 沥青混合料裂纹发展行为研究

1．2．4 工业CT扫描技术与离散元模拟应用研究

1．3 研究的目的与意义

1．4 研究主要内容与技术研究主要内容与技术

1．4．1 乳化沥青冷再生混合料压实特性研究

1．4．2 乳化沥青冷再生混合料细观结构研究

1．4．3 乳化沥青冷再生混合料复合型开裂行为研究

1．4．4 乳化沥青冷再生混合料复合型开裂虚拟试验

1．4．5 乳化沥青冷再生混合料疲劳开裂研究

1．5 研究技术路线

第二章 乳化沥青冷再生混合料压实特性研究

2．1 乳化沥青冷再生混合料设计

2．1．1 原材料

2．1．2 级配组成

2．1．3 再生剂用量

2．1．4 再生混合料性能验证

2．1．5 成型方式

2．1．6 热拌沥青混合料比较

2．2 压实特性评价方法

2．2．1 压实机理

2．2．2 压实曲线

2．2．3 压实参数

2．3 压实参数敏感性分析

2．4 压实特性的影响因素分析

2．4．1 压实温度的影响

2．4．2 乳化沥青用量的影响

2．4．3 含水率与级配的影响

2．4．4 初始养生时间的影响

2．5 混合料配合比设计方法改进

2．5．1 设计压实次数的确定

2．5．2 最佳含水率的确定

2．6 本章小结

第三章 乳化沥青冷再生混合料细观结构研究

3．1 工业CT扫描技术

3．1．1 X射线扫描原理

3．1．2 工业CT系统组成

3．1．3 工业CT技术应用

3．2 数字图像处理技术

3．2．1 数字图像获取

3．2．2 数字图像处理

3．2．3 数字图像分析

3．3 乳化沥青冷再生混合料体积组成分析

3．3．1 粗集料特征研究

3．3．2 空隙特征研究

3．3．3 乳化沥青砂浆特征研究

3．4 与热拌沥青混合料细观结构对比分析

3．4．1 粗集料特征对比

3．4．2 空隙特征对比

3．4．3 沥青砂浆特征对比

3．5 本章小结

第四章 乳化沥青冷再生混合料复合型开裂行为研究

4．1 断裂力学基本理论

4．2 断裂力学的基本假定和应用范围

4．2．1 裂缝开展的三种基本类型

4．2．2 复合型裂缝的应力强度因子计算

4．2．3 复合型断裂的判断依据

4．3 沥青混合料复合型开裂试验研究

4．3．1 传统Ⅰ型开裂试验方法

4．3．2 复合型开裂试验原理

4．3．3 复合型开裂试验装置

4．3．4 复合型开裂试验关键参数

4．4 数字图像相关法

4．4．1 数字图像相关法基本原理

4．4．2 数字图像相关法算法实现

4．4．3 数字图像相关法技术应用

4．5 乳化沥青冷再生混合料复合型抗裂性能研究

4．5．1 复合型开裂试验方法

4．5．2 复合型开裂试验结果

4．5．3 复合型开裂行为分析

4．6 本章小结

第五章 乳化沥青冷再生混合料复合型开裂虚拟实验

5．1 离散元方法概述

5．1．1 离散元的基本原理

5．1．2 离散元的颗粒模型与运动方程

5．1．3 离散元PFC软件简介

5．2 乳化沥青冷再生混合料三维数字试件生成

5．2．1 粗集料三维空间形状构建

5．2．2 粗集料级配特征模拟

5．2．3 空隙率分布特征模拟

5．2．4 混合料三维离散元模型建立

5．3 离散元模型的细观力学参数确定

5．3．1 位移软化模型

5．3．2 细观力学参数与宏观性能参数的关系

5．3．3 乳化沥青-水泥砂浆细观参数确定

5．4 复合型开裂试验离散元模拟

5．4．1 计算参数选取

5．4．2 模拟结果与实测结果对比

5．4．3 离散元模拟试验结果分析

5．5 乳化沥青冷再生混合料抗裂机理分析

5．5．1 空隙率大小影响

5．5．2 乳化沥青-水泥砂浆强度影响

5．5．3 热拌沥青混合料抗裂性能对比

5．6 本章小结

第六章 乳化沥青冷再生混合料疲劳开裂行为研究

6．1 沥青混合料疲劳性能研究理论

6．1．1 现象学理论

6．1．2 力学近似法

6．1．3 能量分析法

6．2 沥青混合料疲劳性能试验方法

6．2．1 间接拉伸疲劳试验

6．2．2 半圆弯曲疲劳试验

6．2．3 疲劳试验条件

6．3 乳化沥青冷再生混合料疲劳性能研究

6．3．1 疲劳曲线与疲劳方程

6．3．2 疲劳性能的影响因素分析

6．3．3 疲劳开裂行为分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

致谢

参考文献

博士期间科研成果