胶粉改性沥青混合料的力学性能研究

论文摘要

传统的沥青路面设计法和Superpave设计法对沥青混合料力学性能的研究多偏重于从宏观角度进行研究,但是在研究与使用过程中,却出现虽然宏观体积指标相近,使用性能相差很大的现象,出现这种现象的原因主要是研究过程与使用过程中忽略了沥青混合料细观结构对力学性能的影响,无法揭示材料实际变形以及破坏的物理机制,从而无法从根本上解决沥青路面早期破坏问题。因此,对沥青混合料的微细观结构及其与外部宏观力学性能方面的关系研究已经成为国际沥青混合料的研究热点。本文围绕胶粉改性沥青混合料的力学性能研究为主线,分别从沥青混合料宏观结构与细观结构的力学特性着手,建立了胶粉改性沥青混合料细观结构的虚拟实验模型,阐述了内部结构特征与外部荷载与变形的相互关系,从而揭示沥青混合料的受力机理,为工程实践应用提供一定的理论指导。通过室内试验与数值模拟,得出以下结论:首先,通过室内试验分析了胶粉改性沥青、SBS以及普通沥青混合料按照同一级配制成的混合料试件分组进行三点弯曲试验,每一种试件分别以三种加载速率进行加载,得出它们的变形以及力与时间的曲线,并且将胶粉改性沥青混合料小梁的三点弯曲试验与半圆弯拉试验进行对比。结果表明:在同一种加载速率作用下,胶粉沥青混合料的弯曲强度较其它两种混合料更高,并且破坏时的变形也较小;胶粉改性沥青混合料的应力与劲度模量随着加载速率的增加而增大,变形较小;胶粉改性沥青混合料的三点弯梁试验与半圆弯拉试验的弯拉强度接近,比值大约为1.03。其次,本文借助于图像分析技术,将试验所得图像进行处理后导入有限元ABAQUS中,作为数值模拟的模型,以此法建立的模型能够较准确的反应混合料内的骨料与沥青的分布情况。在此基础上对模型进行三点弯曲试验数值模拟,以试验中的荷载数据作为模型的边界条件等,得出的结论是数值模拟的结果与室内试验的结果接近。最后,对以上模型分别施加不同速率的荷载,分析了不同速率下沥青混合料细观结构的应力应变分布以及骨料与沥青的应力应变的变化情况。结果表明:沥青混合料的内部出现了不连续分布的应力与应变,其中在骨料处产生的应力高于在沥青处产生的应力,骨料的应力占总应力值的比重较大,但是骨料的应变值则较小,大的应变值出现在沥青上;在模型中出现最大的应变位置处与室内试验的裂缝位置接近;进行局部研究时发现,随着加载速率的增大,沥青结点的应力值与骨料的应力值也增大;数值模拟中与试验裂缝位置相近处,骨料与沥青的应力分别随着速率的增大而增大且幅值接近;但是沥青结点的应变值与骨料应变值的不同,出现了严重的不协调性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外研究手段与研究内容的现状
• 1.2.2 国内外采用的数值模拟方法
• 1.3 本文主要研究内容及技术路线
• 第二章 沥青混合料试件的强度试验
• 2.1 沥青混合料试件小梁弯曲试验
• 2.1.1 试验目的
• 2.1.2 试验方案及原理
• 2.1.3 试验材料及设备
• 2.1.4 试验方法及步骤
• 2.2 三点弯梁试验结果与数据分析
• 2.3 沥青混合料试件半圆弯拉试验
• 2.3.1 力学公式
• 2.3.2 试验方法及步骤
• 2.3.3 半圆弯拉试验结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 数字图像处理技术
• 3.1 概述
• 3.2 数字图像获取
• 3.3 数字图像处理的流程
• 3.4 数字图像处理在研究过程中的应用
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于细观结构的沥青混合料强度试验数值模拟
• 4.1 前言
• 4.2 有限元法
• 4.3 沥青材料粘弹性理论
• 4.4 沥青混合料弯曲试验数值模拟
• 4.4.1 模型的建立及相关参数
• 4.4.2 验证有限元模型的正确性
• 4.5 小梁试验数值模拟结果
• 4.5.1 宏观现象的细观描述
• 4.5.2 加载速率对力学性能的影响
• 4.6 半圆弯拉模拟结果
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论及今后研究方向
• 5.1 主要研究结论
• 5.2 今后进一步研究方向
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介
• 攻读硕士学位期间发表的论文及论文资助项目