动态贯入下浇注式沥青混合料的永久变形研究

基于修正Burgers模型推导出动态贯入下浇注式沥青混合料永久变形的模型,用该模型对浇注式沥青混合料(GA-10)在动态贯入试验下的永久变形试验数据进行了回归分析,获得了不同温度、荷载应力峰值和间歇时间下的模型参数.试验结果表明:高温重载是使浇注式沥青混合料产生永久变形的重要因素,永久变形经历了快速增长和缓慢增长两个阶段;高温使黏弹性变形恢复的能力下降,黏弹性残余应变量增大,同时加速永久变形量的产生;由于混合料硬化松弛的影响,间歇时间越长,混合料产生的永久变形量越大,在不同间歇时间下,黏度和非线性增长速度值基本保持不变;较大的荷载应力峰值使混合料的内应力变大,黏弹性变形恢复能力变强,但重载会加速永久变形量的增长.     

重复荷载作用下沥青混合料的永久变形

对Burgers模型中串联粘壶进行了改进,并将改进模型看成是由三单元Van Der Poel模型与改进粘壶串联组成.采用半正弦波间歇荷载模拟路面受到的车辆荷载,推导了重复荷载作用下沥青混合料永久变形的力学模型.进行了三轴重复荷载永久变形试验,验证了模型的准确性,研究了永久变形的变化规律.试验结果表明:该模型能够全面反映重复荷载作用下沥青混合料三阶段永久变形特性;温度越高、应力越大,混合料的永久变形越大,流变数越小.而残余粘弹性变形随着荷载作用次数趋向于定值,其占永久变形的比例逐渐减小;应力越大、温度越高、间歇时间越短,残余粘弹性应变定值越大.随着荷载间歇时间的增长,残余粘弹性应变占永久应变的比例先迅速衰减,而后逐渐变缓;温度越高、荷载越大,应该设计更长的荷载间歇时间以便粘弹性变形的恢复.     

基于动态蠕变试验的沥青混合料黏弹性分析

基于沥青混合料Burgers模型的黏弹性理论,通过动态蠕变试验进行AC-20黏弹性分析,得到不同温度及应力下的混合料变形特征曲线及Burgers模型4个参数的变化规律.结果表明:在同一温度下,随应力水平增加,永久变形随之增大,稳定期永久应变发展速率增大且破坏期提前到来,Burgers模型参数中E1、E2增大,η1、η2减小;在同一应力水平下,永久变形会随温度升高而增大,同时E1、E2减小,η1、η2增大.因此应力及温度对沥青混合料黏性及弹性影响程度不同,随着应力增加,弹性增强而黏性降低;随温度升高,则弹性降低而黏性增加,该结论与路面实际使用状况一致.     

沥青混合料在重复荷载作用下的黏弹性变形

为了研究沥青混合料在不同温度、不同应力下黏弹性变形响应,提出了基于三轴重复荷载试验评价沥青混合料抗车辙能力的方法,并对沥青路面车辙发展规律进行了分析。采用半正弦波荷载来模拟路面实际车辆荷载,基于黏弹性五单元八参数模型,推导了能够适用于三轴重复荷载试验的力学模型。结合三轴重复荷载试验的试验结果,利用Origin 8.5软件,对三轴重复荷载试验数据进行拟合,得到了相应的黏弹性参数。对比计算流动数和实测流动数,分析沥青混合料黏弹性变形特性。研究结果表明,温度越高、应力越大,混合料黏弹性变形越大,流变性越小;重复荷载作用下沥青混合料永久变形黏弹性力学模型参数拟合相关系数达到95%以上,表明该模型可以有效地反映沥青混合料黏弹性变形特性。     

沥青混合料永久变形的弹黏塑-损伤力学模型

对Burgers模型中串联黏壶进行了改进,并将改进模型看成是由三单元Van Der Poel模型与黏塑性元件串联组成.综合运用黏塑性力学和损伤力学理论,同时引入应变硬化变量和损伤软化变量,建立了基于应变硬化理论的沥青混合料损伤蠕变模型.再采用半正矢波间歇荷载模拟实际路面轮载作用,推导了重复荷载作用下沥青混合料永久变形的弹黏塑性损伤力学模型.根据室内重复荷载永久变形试验结果,运用最小二乘法原理,得到了弹黏塑性损伤力学模型的相关参数,并对该模型进行了验证.验证结果表明,该模型可以全面、统一地描述沥青混合料永久变形的三阶段特性.     

重复荷载下沥青混合料变形的粘弹性有限元分析

沥青混合料是典型的粘弹性材料,广义Maxwell粘弹模型能很好地描述沥青混合料的变形规律。通过拟合AC-13C基质、改性沥青混合料的静载蠕变试验数据获得广义Maxwell模型的Prony系列系数,采用加载0.1s、卸载0.9s的半正弦波间歇荷载模拟路面实际的车辆荷载,对重复荷载作用下的沥青混合料进行粘弹性有限元分析,预测出重复荷载作用下AC-13C基质、沥青混合料的变形,与实测变形相比具有很好的一致性。粘弹性有限元方法预测出的应变包括弹性应变和蠕变应变,而蠕变应变直接导致永久变形的产生,通过分析蠕变应变可以判别沥青混合料的弹性恢复能力。     

循环荷载作用下沥青混合料的黏弹塑性损伤本构模型

为较好描述损伤状态下沥青混合料的黏弹塑性应力-应变关系、明确动态循环荷载对其损伤本构关系的影响,利用经典黏弹塑性流变理论,在Burgers黏弹性模型上串联一个黏塑性元件,并根据损伤力学应变等效原理,建立了一个能体现动态循环荷载作用特点及能考虑加载频率影响的沥青混合料黏弹塑性损伤本构模型.同时进行间接拉伸疲劳试验,研究加载频率、环境温度、应力水平、沥青用量及沥青种类对混合料应力-应变关系的影响,并标定模型参数、验证模型的有效性.结果表明:所建模型不仅能较好描述沥青混合料在动态循环荷载作用下的损伤本构关系,还能体现加载频率、环境温度及荷载水平等因素对应力-应变关系的影响;模型参数意义明确、规律性强,值得进一步研究和推广.     

浇注式沥青混合料抗剪强度及标准研究

采用单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验分析了加载速率、油石比、温度、级配类型及沥青种类对浇注式沥青混合料的抗剪强度的影响.通过有限元数值计算获得钢桥面铺装结构中浇注式沥青混合料的抗剪强度参数,绘制出不同荷载作用下的混合料抗剪强度标准曲线,并结合试验对混合料抗剪强度指标进行了验证.研究表明,由于自身材料组成特点,浇注式沥青混合料抗剪强度参数在不同因素影响下呈现一定的特殊变化规律,虽然浇注式沥青混合料满足荷载条件下的抗剪强度要求,但黏聚力不足会引起混合料剪切流动变形.在浇注式沥青铺装设计中,分析因为考虑抗剪强度不足引起混合料剪切流动变形时需同时考虑混合料黏聚力和摩擦角.     

基于永久变形试验的沥青混合料损伤分析

为分析沥青混合料的损伤特性,进行了两种沥青混合料的重复荷载永久变形试验,采用Kachanov损伤律推导了沥青混合料的损伤演化方程,并根据试验结果确定了损伤参数.结果表明,耦合损伤的力学模型较好地描述了沥青混合料三阶段的变形特性.在荷载作用下,沥青混合料损伤单调增加,而接近破坏时损伤会急速发展;在较高的应力和温度条件下,损伤值较大,且损伤发展较快.荷载作用次数达到流动数时,2种沥青混合料的损伤值基本介于0.14～0.15之间,表明在永久变形的迁移期和稳定期同样存在损伤,只是损伤值较小,并且可以近似看成线性损伤,但将其忽略是不合理的.     

单轴贯入重复剪切试验研究沥青混合料永久变形

沥青路面车辙变形越发严重,降低路面使用寿命的同时大大影响行车安全.通过对比分析,提出运用单轴贯入重复剪切试验研究沥青混合料的永久变形.对高速公路沥青路面上中面层最常用的4种沥青混合料进行了不同荷载水平下的单轴贯入重复剪切试验,得到如下结论:单轴贯入重复剪切试验可以做出沥青混合料的三阶段变形;荷载越大混合料永久变形的速率越大,剪切疲劳寿命或流动数越小,当荷载大于或等于1.3MPa时改性沥青混合料在较小的荷载次数内变形过大,发生剪切破坏,而当荷载小于或等于1.1MPa时变形增加极慢,稳定地处于变形的第二阶段而不破坏;抗剪强度较大的沥青混合料抵抗剪切变形的能力较强,改性沥青混合料抵抗剪切变形的能力远大于普通沥青混合料;荷载应力水平和作用次数具有等效性.     

基于DMA方法的浇注式沥青胶浆高温性能及评价指标

为了研究浇注式沥青胶浆的高温性能及评价指标,采用动态力学分析(DMA)方法,通过动态剪切流变试验,探讨了不同温度、沥青种类、粉胶比对浇注式沥青胶浆高温性能的影响.分析了广义剪切模量与浇注式沥青混合料高温变形之间的相关性,探讨了该指标作为浇注式胶浆高温性能评价指标的适用性,并以车辙深度为控制标准,对广义剪切模量以及60℃条件下的贯入度提出了建议值.结果表明:浇注式沥青胶浆复数剪切模量和相位角受温度、沥青种类、粉胶比因素影响明显;广义剪切模量与混合料永久变形呈良好的线性关系,能作为一种合适的劲度指标评价浇注式沥青胶浆的高温稳定性;60℃条件下,浇注式沥青混合料贯入度指标建议值不大于3.29 mm.     

受移动集中力作用的沥青路面永久变形的精确解

推导出一种有别于其他数值解(如有限元法)的预估沥青路面永久变形的理论精确解。运用莫尔-库仑屈服条件和半空间内一点受集中力作用的Mindlin解,确定荷载作用下的沥青路面弹塑性分界面。利用刚塑性假定简化一维Burgers模型,从而简化了沥青路面的永久变形计算,据此假定将一维的沥青混合料Burgers模型推广至三维Burgers模型,类似于三维虎克定律。基于以上假定,计算出沥青路面下凹和隆起的永久变形,得出沥青路面侧向隆起高度约为下凹深度的一半,这一关系已被大量工程观测数据所证实。     

黏质路基土永久变形改进计算方法

通过室内重复荷载三轴试验,测试了36种工况下黏质路基土永久应变与试验加载次数之间的关系;采用统计回归的方法对黏质路基土永久变形预估模型进行了标定与修正.以分层应变总和法为基础,结合道路渠化交通的考虑,提出了分条分层总和法作为柔性路面路基土在车辆重复荷载作用下永久变形的改进计算方法,并详细说明该方法的计算原理及步骤.结合典型柔性路面结构实例,计算了黏质路基土的永久变形量,并通过对比分析,验证了该方法的合理性.     

混合式基层沥青路面动态响应测试结果特征分析

依托遂广高速公路沥青路面动态响应试验段,进行了系统采集数据的有效性分析,并基于沥青混合料、级配碎石和土体经典力学理论,评价了单后轴和双后轴货车作用下路面结构内部水平应变和竖向力学指标时程曲线的力学基本特征.研究结果表明:移动荷载作用下,沥青层层底纵向应变先后出现压—拉—压循环交变应变,沥青层层底横向应变表现为压—拉两个过程,沥青层层底纵向和横向应变应分别采用应变幅值和拉应变峰值作为路面在荷载作用下实际应变变化值,且沥青层层底横向应变测值受轮胎作用位置影响较大;同时,荷载驶离传感器后,沥青层层底水平应变响应存在明显残余应变,而土基顶面竖向压应力并不存在残余应力;双后轴货车后轴对应的路基顶面竖向压应力和沥青层层底横向应变叠加效应显著高于其他指标.现场试验证实,路面结构动态计算分析中,路基可简化为弹性体,沥青混合料材料应考虑其黏弹性特征,级配碎石过渡层应考虑其永久变形特性.     

沥青稳定基层混合料变形性能试验研究

针对沥青稳定基层的特点 ,进行多种级配和沥青用量下的静态蠕变试验 ,根据试验结果分析了永久变形随混合料组成的变化规律 .结果表明 ,采用粗细集料搭配均匀的连续密级配和适中的沥青用量可以获得最佳的抗永久变形能力 .利用广义Burgers模型分析得出了材料的粘性变形参数———粘性变形柔量G ,并结合壳牌的车辙预估方法提出了沥青稳定基层永久变形的预估方法 .研究表明 ,蠕变试验是评价材料的抗变形性能和预估材料发生永久变形的简便、有效的方法 ,可用来指导沥青混合料的组成设计     

周期荷载作用下沥青路面层间性能及永久变形分析

为提高半刚性基层沥青路面层问抗剪强度以及抵抗永久变形的能力,充分发挥其使用功能,基于黏弹性力学理论,应用有限元方法研究周期荷载作用下沥青路面层间剪应力分布情况以及路面永久变形发展规律.结果表明,沥青面层的黏弹性有利于面层间剪应力的松弛,但会增大基面层问剪应力;动载的卸载回复作用导致层问剪应力峰值随时间变化率小于静载下的相应值;轮缘外侧的隆起变形较轮隙处的小,下面层的永久变形较上面层的大;轮隙处和轮心处均在上面层以下某处出现最大蠕变应变值,但轮隙处出现最大蠕变应变值的深度较轮心处的大.因此,路面设计必须对半刚性基层和沥青面层的层间黏结性能,以及下(中)面层抵抗永久变形的能力给与足够的考虑.     

超热老化对浇注式沥青混合料高温性能影响研究

浇注式沥青混合料拌合温度高达240℃,拌合时间超过45 min,该条件下浇注式沥青将发生严重的热氧老化,然而超热老化温度和老化时间对浇注式沥青混合料高温性能的影响规律报道较少。对此采用车辙试验对不同超热老化温度和老化时间的浇注式沥青混合料高温性能变化规律进行了研究。研究结果表明:动稳定度与超热老化温度高度相关,高温抗变形能力随超热老化温度升高而不断升高;动稳定度与超热老化时间具有较高的指数相关性,随着超热老化时间延长,动稳定度值呈先缓慢上升到快速上升趋势。在确保浇注式沥青混合料高温性能的同时,必须合理控制老化温度和老化时间,解决由于超热老化导致其抗疲劳开裂能力降低的问题。     

沥青混合料黏弹性裂纹扩展

采用Schapery提出的局部衰坏区模型,推导了沥青混合料宏观裂缝稳定扩展阶段开裂速率的简单力学表达式.首先利用裂纹扩展3个基本方程控制裂缝在沥青混合料中的扩展行为,再采用修正Burgers力学模型来准确模拟沥青混合料黏弹性能,通过对黏弹性张开位移和断裂能判据的合理简化,推导出了沥青混合料宏观裂纹稳定扩展的瞬时开裂速率与应力强度因子的关系.然后利用推导出的裂纹扩展速率公式预测了沥青砂浆板拉伸开裂速率,并与试验结果对比.结果显示:理论预测的沥青砂浆开裂速率与试验实测值在裂缝稳定扩展阶段吻合较好;沥青混合料的断裂行为具有时间相关性,其开裂速率随裂缝长度的增加或者应力水平的提高而增大.     

基于重复蠕变恢复试验的化学改性沥青高温性能

为了探究多聚磷酸(PPA)和反应型三元共聚物(RET)改性沥青的高温流变行为,基于重复蠕变恢复试验,深入研究基质沥青、PPA改性沥青、RET改性沥青及SBS改性沥青在不同加载应力及温度条件下黏弹性响应的变化规律,从温度、应力等方面对改性沥青的延迟弹性进行分析,并将PPA,RET与SBS等3种改性沥青的高温性能进行比较,更加客观地评价PPA和RET两种化学改性沥青的高温性能.采用Burgers模型对试验数据进行拟合,分析了蠕变劲度黏性成分与混合料车辙试验动稳定度的相关关系.结果表明:PPA和RET的加入可显著改善沥青的高温抗变形能力,提高路面的抗车辙性能.     

基于光纤光栅传感技术的沥青路面永久变形计算方法

为推广光纤光栅技术在道路工程中的应用,解决沥青路面结构内部应变和温度信息的监测及分析难题,提出基于足尺寸道路监测信息的永久变形计算方法.采用修正的Burgers黏弹性模型,建立了由多类型光纤Bragg光栅传感器组合的道路监测系统,获取了各埋设层内的最大压应变、温度以及车辆的动态加载时间等参数.实例计算表明,利用光纤光栅传感技术进行沥青路面永久变形计算是完全可行的.