沥青混凝土路面细观结构和水破坏研究

论文摘要

本文从细观角度出发将沥青混凝土视为集料、沥青基质和孔隙组成的三相复合材料，通过对沥青混凝土水破坏的宏细观试验，对沥青混凝土水破坏进行了研究。在此基础上实现了沥青混凝土材料细观结构的建模，并对其水破坏过程进行数值模拟。 通过定量分析沥青混合料内部结构的变化更好地掌握了水破坏机理。比较试件无水与饱水状态下的疲劳破坏现象：在宏观裂隙上无水为劈裂，饱水为剪裂；在细观结构上，无水疲劳破坏过程中沥青基质面积稍有增加，而饱水疲劳的沥青基质面积明显减小。反映出水破坏过程中沥青从集料上剥落的过程，即从细观层面上反映出了沥青混凝土水破坏机理。且试件裂纹的演化、发展与其初始空隙分布和集料的长轴取向密切相关。同时在试验过程中采用超声波技术进行沥青混凝土的探伤研究。获取沥青混合料在载荷作用和环境影响后的损伤与声速变化之间的关系，用试件断面孔隙率变化来表征沥青混凝土的损伤，试验结果表明沥青混凝土损伤与超声波速降低之间具有较好的指数关系；并采用超声波技术检测沥青混凝土裂缝深度，为定量评价路面早期损坏程度提供了依据。 本文还采用分形理论对混合料内部结构的复杂程度进行了量化，即沥青混合料断面CT图像不同的分形维数反映出断面的复杂程度不同。采用细观结构分维值和孔隙率变化作为研究细观缺陷演化的定量指标，对沥青混合料疲劳损伤演化过程进行了研究，并得出相应的损伤演化方程。 在试验研究的基础上，本文提出了一种考虑沥青混凝土材料真实细观结构的二维数值分析方法，研究沥青混合料在单轴压缩下的破坏过程，模拟了沥青混凝土材料从裂纹的萌生、扩展、贯通直到宏观裂纹产生导致破坏的过程，模拟结果与CT试验结果进行了对比分析，取得较好的模拟效果，表明建立的细观模型可应用于该材料的力学性能和破坏过程研究。在考虑孔隙水压力后的水破坏数值模拟结果表明，沥青混合料内部裂纹的扩展不仅与细观结构有关，还受到孔隙水压力的影响。饱水状态下沥青混合料内部形成的裂缝过程区比无水状态下形成的裂缝长且发育得较宽，反映有水的条件下试件更易发生破坏，因而疲劳寿命大大缩短。在二维细观模型的基础上，进一步

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 沥青路面水破坏现象
• 1.2 沥青路面水破坏的原理机制及其原因
• 1.2.1 沥青路面水破坏的原理机制
• 1.2.2 沥青路面水破坏的原因
• 1.3 沥青路面水破坏的研究意义和前景
• 1.4 沥青路面细观结构和水破坏的国内外研究现状
• 1.4.1 沥青路面细观结构和孔隙水压对其破坏影响的研究
• 1.4.2 评价沥青混凝土路面水稳定性试验方法的研究
• 1.4.3 沥青与集料粘附性能的研究
• 1.4.4 对排水结构层的研究
• 1.5 本文研究内容和目标
• 1.6 技术路线
• 第2章 沥青混凝土水破坏宏细观试验研究
• 2.1 沥青混凝土水破坏宏观试验研究
• 2.1.1 试验目的和原理
• 2.1.2 试验设备及试件制备
• 2.1.3 试验过程
• 2.1.4 试验结果
• 2.2 沥青混凝土水破坏细观试验研究
• 2.2.1 沥青混凝土内部细观结构的研究方法
• 2.2.2 试验设备及试件制备
• 2.2.3 试验过程及结果
• 2.2.4 试件水破坏过程的细观研究
• 2.3 超孔隙水压引起沥青剥落的水破坏机理
• 2.3.1 流场分析
• 2.3.2 超孔隙水流对沥青混凝土强度的影响
• 2.4 饱水与无水疲劳破坏机理的对比分析
• 2.4.1 宏观上的比较
• 2.4.2 细观上的比较
• 2.5 试件内部结构和裂纹扩展变化分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于超声波检测技术的沥青混凝土探伤研究
• 3.1 超声波检测技术及应用概述
• 3.2 不同类型沥青混凝土材料的声速变化
• 3.3 饱水与无水条件下沥青混凝土的声波检测
• 3.4 沥青混凝土损伤的声波检测
• 3.4.1 沥青混凝土疲劳破坏时的声波检测
• 3.4.2 沥青混凝土试件不同破坏阶段的损伤研究
• 3.5 沥青混凝土的裂缝深度检测
• 3.6 本章结论
• 第4章 沥青混凝土内部损伤演化研究
• 4.1 沥青混凝土内部结构分形特征研究
• 4.1.1 分形理论
• 4.1.2 沥青混凝土内部结构的分形特征
• 4.1.3 沥青混凝土内部结构的分形评价
• 4.1.4 不同类型沥青混合料内部结构的分形评价
• 4.2 基于 CT图像分维估算的沥青混凝土损伤演化研究
• 4.2.1 CT图像的获取
• 4.2.2 CT图像的分形维数计算和损伤演化分析
• 4.3 沥青混凝土疲劳损伤演化方程研究
• 4.3.1 损伤变量的定义
• 4.3.2 损伤演化方程的建立
• 4.4 本章小结
• 第5章 沥青混凝土细观损伤数值模拟
• 5.1 沥青混凝土细观破坏理论
• 5.1.1 分析沥青混凝土破坏机理的结构层次观点
• 5.1.2 沥青混凝土细观力学研究方法
• 5.2 沥青混凝土细观模型的提出
• 5.2.1 几种常用的混凝土细观数值模型
• 5.2.2 沥青混凝土材料的细观损伤模型
• 5.3 沥青混凝土材料细观结构的数值模拟
• 5.3.1 细观结构的网格划分及开裂准则
• 5.3.2 细观损伤演化数值模拟过程
• 5.3.3 计算参数
• 5.3.4 数值模拟结果
• 5.3.5 数值模拟结果的 CT试验验证
• 5.4 考虑细观结构影响的计算模型研究
• 5.4.1 均质模型
• 5.4.2 细观结构的影响
• 5.5 本章结论
• 第6章 沥青混凝土水破坏过程数值模拟
• 6.1 沥青路面超孔隙水压的数值模拟
• 6.1.1 沥青混凝土路面模型
• 6.1.2 超孔隙水压的数值模拟
• 6.2 沥青混凝土水破坏过程的数值模拟
• 6.2.1 沥青混合料细观试验成果
• 6.2.2 无水损伤的数值模拟
• 6.2.3 饱水损伤的数值模拟
• 6.3 不同孔隙率对破坏过程的影响
• 6.4 本章结论
• 第7章 沥青混凝土三维细观模型研究
• 7.1 骨料三维随机分布模型的建立
• 7.1.1 沥青混凝土试件骨料颗粒数目计算
• 7.1.2 随机骨料生成程序
• 7.2 沥青混凝土三维细观模型
• 7.3 沥青混凝土单轴压缩破坏的数值模拟
• 7.3.1 数值模拟的计算条件
• 7.3.2 数值模拟的计算结果分析
• 7.4 考虑基质、骨料和水三者相互影响的数值分析
• 7.4.1 均质模型的应力分析
• 7.4.2 骨料与沥青基质的相互影响分析
• 7.4.3 饱水孔隙与沥青基质的影响分析
• 7.4.4 考虑骨料、沥青基质和水共同作用的影响分析
• 7.5 本章结论
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文