基于细观力学的沥青砂浆及骨架结构沥青混合料性能研究

摘要

随着交通量增长、重载情况的加剧，沥青混凝土路面的早期破坏现象突出，而且路面的实际使用寿命也大大低于设计寿命。目前，针对沥青路面材料性质的研究主要采用经验与试验相结合的研究方式，这种传统的研究方式费时费力，且很难通过宏观指标来揭示混合料内部复杂的细观力学行为。因此有必要从细观层次角度，对沥青砂浆、沥青砂浆-骨架颗粒界面、集料级配特征参数进行研究，并与宏观室内混合料性能试验结果紧密结合，构建新型沥青路面材料的性能及疲劳破坏行为的分析理论体系，为沥青路面材料的设计、施工与养护提供更加可靠的理论基础和技术依据。
　　本文以沥青混合料的细观特性为主线，首先，对沥青砂浆进行应力-应变抗压与抗剪试验，分析不同材料、级配及冻融条件的砂浆力学性能；并以砂浆试验结果为基础，建立模拟沥青砂浆-骨架颗粒界面细观损伤特性的内聚力损伤模型，对界面砂浆损伤特性进行分析；其次，以表征主导骨架结构的特征参数——主导骨架颗粒接触百分比（cnDS）为切入点，对不同级配混合料进行路用性能、力学性能及疲劳性能的试验研究，分析主导骨架颗粒接触百分比与各性能的关系，并结合四点弯曲疲劳试验与数字图像相关方法（DIC），从细观层面分析混合料的疲劳损伤机理，定量分析不同级配特征参数混合料的疲劳损伤特性。最后，根据上述研究提出一种新型的骨架结构沥青混合料优化设计方法。论文主要得到了如下结论：
　　（1）考虑不同的配合比、沥青基材料及冻融条件等因素对砂浆的力学性能的影响，分别对砂浆进行抗压与抗剪应力-应变力学试验，结果表明：选取合适的配合比能够提高砂浆的内聚力，并增强其力学耐久性能；掺加添加剂的基质沥青与橡胶沥青砂浆能够提高其沥青砂浆的强度，改善其抗变形能力，并增强砂浆的水稳定性。
　　（2）由砂浆界面细观内聚力损伤模型计算结果可知：在荷载作用下，加入添加剂的砂浆界面相较于普通沥青砂浆界面，其细观损伤区域较小，且强度退化程度明显减小；同时，冻融后砂浆界面相较于未冻融的砂浆界面，其细观损伤区域较大，且强度退化程度明显增大。
　　（3）由不同级配混合料的室内试验结果可知：动稳定度随着cnDS的增加，呈现逐渐增大的趋势；抗剪强度计算值随着cnDS的增加，呈现先增大后减小的趋势；抗疲劳性能随着cnDS的增加，呈现先明显增大后略微减小的趋势。
　　（4）由灰熵分析可知，在空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、粗集料骨架间隙率、CA比、主导骨架结构干扰因子及cnDS等参数中，cnDS与高温稳定性、抗剪强度及抗疲劳性能的相关性最好。试验亦表明，cnDS范围值为11.0％~13.6％时，高温性能、抗剪性能及抗疲劳性能均较佳。
　　（5）结合四点弯曲疲劳试验与数字图像相关技术，提出了定量评价混合料细观损伤状态的疲劳损伤因子与评价细观骨架稳定结构的主导骨架颗粒平动角与转动角。由不同损伤评价节点获取的定量评价参数可知，cnDS合理范围内的沥青混合料，细观结构更稳定，抗疲劳性能更好，进一步从细观层面验证了cnDS推荐范围的可靠性。
　　（6）基于 cnDS的范围值，提出了用于判定混合料细观疲劳损伤状态的参数值，即对于不同损伤评价节点，疲劳损伤因子应不大于0.08、0.25及0.42；平动转角θ与转动夹角α的加权平均值应不大于60°与0.11°
　　（7）综合沥青砂浆力学试验、沥青砂浆-骨架颗粒界面模型、级配特征参数cnDS及基于 DIC的疲劳细观损伤定量评价方法，提出了一种基于新型面层骨架结构沥青混合料的级配优化设计方法。

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第一章 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第二章 沥青砂浆力学特性研究

2.1 材料技术性质测试与砂浆配合比确定

2.2 沥青砂浆的抗压力学性能研究

2.3 沥青砂浆的抗剪力学性能研究

2.4 小结

第三章 基于细观力学的沥青砂浆-骨架颗粒界面损伤特性研究

3.1 沥青砂浆-骨架颗粒界面的力学损伤理论

3.2 沥青砂浆-骨架颗粒界面有限元模型的建立

3.3 不同沥青基材料砂浆-骨架颗粒界面损伤特性研究

3.4 冻融条件下砂浆-骨架颗粒界面损伤特性研究

3.5 小结

第四章 基于主导骨架结构的集料级配特征参数研究

4.1 沥青混合料的骨架结构理论与试验设计

4.2 基于特征参数的不同级配混合料性能研究

4.3特征参数与混合料性能的灰熵分析

4.4 集料级配特征参数的比选分析

4.5 小结

第五章 基于数字图像的不同级配特征参数混合料疲劳破坏细观研究

5.1数字图像相关方法关键技术

5.2 基于数字图像的沥青混合料疲劳损伤试验

5.3 沥青混合料疲劳试验细观演化行为特征研究

5.4 不同级配特征参数混合料早期疲劳损伤定量研究

5.6 小结

第六章 基于主导骨架结构的沥青混合料优化设计方法研究

6.1 材料设计

6.2 混合料级配优化设计

6.3 设计实例及性能验证

6.4 小结

主要结论与进一步研究建议

1. 主要研究结论

2. 主要创新点

3. 进一步研究建议

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢