基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)理論的瀝青膠砂及混合料力學(xué)特性研究.pdf

1、瀝青路面由于具有良好的行車舒適性、噪音小、對(duì)路基不均勻沉降適應(yīng)性強(qiáng)和易于快速維修等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。瀝青混合料的力學(xué)性能受原材料種類、礦料級(jí)配組成、環(huán)境溫度、荷載水平等多種因素影響，合理描述瀝青混合料的力學(xué)特性顯得十分困難。由于瀝青混合料具有明顯的溫度敏感性，在夏季高溫條件下，瀝青路面在長(zhǎng)期承受車輛重復(fù)荷載作用下容易出現(xiàn)車轍和波浪等病害，顯著降低了瀝青路面的行車舒適性和使用壽命，并給行車安全帶來(lái)較大隱患。因此，通過(guò)系統(tǒng)研究瀝青混合料在

2、復(fù)雜環(huán)境條件下的力學(xué)行為，建立其合理的本構(gòu)關(guān)系，探討瀝青路面使用性能的變化規(guī)律及其主要影響因素，對(duì)于減少車轍病害的發(fā)生和提高路面使用壽命都具有重要意義。
　　按照膠漿理論，瀝青混合料是由粗分散系、細(xì)分散系（瀝青砂漿）和微分散系（瀝青膠漿）組成的多級(jí)空間網(wǎng)狀膠凝結(jié)構(gòu)。各級(jí)分散系的材料組成及力學(xué)特性都影響著瀝青混合料的高低溫性能，使用傳統(tǒng)的黏彈塑性力學(xué)理論不能夠準(zhǔn)確反映各級(jí)分散系的力學(xué)特性。另外，瀝青混合料的蠕變變形特性對(duì)瀝青路面的永

3、久變形有著重要影響，進(jìn)一步對(duì)瀝青砂及瀝青混合料的蠕變特性進(jìn)行研究，充分了解其變形規(guī)律，可以為瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。為此，本文基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)理論，分別對(duì)瀝青膠漿、瀝青砂及瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得的主要研究成果有:
　　(1)基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)理論，分別構(gòu)建了分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)Maxwell模型、分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)Kelvin模型和分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)五元件流變模型，在此基礎(chǔ)上，對(duì)軟土的流變特性進(jìn)行了研究。結(jié)合分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)理論

4、在高分子聚合物材料領(lǐng)域中的應(yīng)用，表明分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)理論在描述材料黏彈性力學(xué)特性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　(2)基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)理論，揭示了黏彈性材料Nutting蠕變方程與經(jīng)典分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)Abel黏壺蠕變模型之間的關(guān)系，構(gòu)建了分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)動(dòng)態(tài)黏彈性本構(gòu)模型。針對(duì)瀝青膠漿材料，分別采用變形因子和黏彈因子來(lái)表征其抗變形能力和黏彈性能，并基于不同粉膠比瀝青膠漿在不同溫度條件下的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，提出了確定瀝青膠漿變形因子和黏彈因子材料參數(shù)的方

5、法。
　　(3)針對(duì)瀝青膠漿的低溫流變性能，利用Weibull分布函數(shù)建立了分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)黏彈性損傷本構(gòu)模型，基于不同粉膠比瀝青膠漿在不同低溫條件下彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，提出了確定模型參數(shù)的方法。
　　(4)針對(duì)瀝青砂的蠕變恢復(fù)變形特性，基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)理論，提出了一種改進(jìn)的分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)冪函數(shù)經(jīng)驗(yàn)蠕變本構(gòu)模型。利用AS-13和AS-20兩種瀝青砂在不同溫度及應(yīng)力條件下的單軸靜載蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合已有瀝青砂蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該本

6、構(gòu)模型參數(shù)進(jìn)行了擬合分析，討論了其變化規(guī)律及主要影響因素，為進(jìn)一步研究瀝青混合料的永久變形特性提供了新的途徑。
　　(5)針對(duì)瀝青混合料單軸靜載蠕變變形特性，基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)理論，建立了一種新型的分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)經(jīng)驗(yàn)蠕變本構(gòu)模型，該模型能夠反映應(yīng)力水平和溫度等因素的影響。針對(duì)瀝青混合料高溫抗剪性能評(píng)價(jià)指標(biāo)試驗(yàn)方法的不足，對(duì)現(xiàn)有單軸貫入試驗(yàn)壓頭進(jìn)行了局部改進(jìn)，并對(duì)AC-13C和AC-20C兩種瀝青混合料在不同溫度條件下進(jìn)行變形強(qiáng)度試驗(yàn)，基于

7、瀝青混合料的變形強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量及動(dòng)穩(wěn)定度之間的相關(guān)性分析結(jié)果，表明變形強(qiáng)度可以作為瀝青混合料的高溫抗剪性能評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)。
　　(6)基于ABAQUS提供的用戶材料子程序二次開(kāi)發(fā)功能，開(kāi)發(fā)了分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)瀝青混合料經(jīng)驗(yàn)蠕變本構(gòu)模型子程序，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)動(dòng)態(tài)荷載作用下瀝青混合料車轍變形過(guò)程的數(shù)值仿真分析，為瀝青路面結(jié)構(gòu)的車轍預(yù)估提供了數(shù)值計(jì)算分析方法。
　　本文通過(guò)對(duì)瀝青混合料三級(jí)分散體系的力學(xué)特性進(jìn)行深入研究，基于分?jǐn)?shù)