基于粘弹性能的水泥混凝土路面接缝填缝料的受力特性研究

论文摘要

水泥混凝土路面接缝填缝料是一种高分子粘弹性材料，其受力特性直接影响路面的使用质量和寿命。目前填缝料受力性能理论存在较大局限性：未考虑多因素共同作用、研究方法较为单一、粘弹模型简单等。针对上述问题，基于粘弹性理论，运用数值模拟方法，研究填缝料的受力特性，显得尤为迫切。在资料查阅、试验和数值模拟的基础上，分析温度荷载、行车荷载及其耦合作用下填缝料的受力特性，研究填缝料破坏机理，提出四种破坏模式。选择三种常见填缝料类型，分别进行应变扫描和应力松弛试验，确定填缝料的线粘弹性范围和应力松弛特性；然后对试验数据进行曲线拟合，遴选出粘弹模型，标定不同温度的粘弹力学参数，并给出力学参数与温度相关的回归公式。研究表明：HB-80沥青填缝料和M950聚氨酯嵌缝胶均为11个参数的广义Maxwell模型，而Y910硅酮石材耐候胶为5个参数的广义Maxwell模型。建立基于弹性-粘弹性理论的水泥板-填缝料-水泥板有限元模型，通过EverFE软件对比分析，论证模型的可用性；进而对水泥混凝土面板进行热分析，以确定面板温度分布；在此基础上分析不同温度差和泊松比下HB-80沥青填缝料的受力特性，并对比不同温度差下三种填缝料的受力特性。研究表明：填缝料受到拉压作用和剪切作用，角点处产生最大应力，中部应力松弛比角点快；低温条件下，M950聚氨酯嵌缝胶满足面板热胀冷缩，而在高温条件下，Y910硅酮石材耐候胶使用性能最好。通过建立行车动载作用的有限元模型，考虑荷载类型、泊松比、集料嵌锁作用和温度等受力影响因素，分析HB-80沥青填缝料在动载作用下的受力状态，探讨其不同时刻最大应力位置；然后在动载作用下，对比分析三种填缝料的受力特性。研究发现：在行车荷载反复作用下，填缝料沿着对角线反复剪切；填缝料应力与加载过程密切相关，且完全卸载一段时间后，其存在残余应力。通过建立温度荷载和行车荷载耦合作用的有限元模型，分析耦合作用下相邻面板的竖向位移差、接缝宽度变化以及三种填缝料的受力特性。并综合前文分析，对填缝料破坏机理进行探讨，提出四种可能破坏模式。研究发现：竖向位移差是填缝料中间点剪应力的关键影响因素；接缝宽度变化是填缝料拉伸应力的主要影响条件；四种破坏模式——脱粘破坏、开裂破坏、溢出破坏和外来硬物嵌入破坏。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 水泥混凝土路面填缝料的研究背景
• 1.2 填缝料性能的影响因素
• 1.2.1 行车荷载
• 1.2.2 温度荷载
• 1.2.3 接缝尺寸
• 1.3 填缝料的试验研究
• 1.3.1 材料常规性试验
• 1.3.2 粘弹性力学试验
• 1.4 填缝料力学性能研究方法
• 1.4.1 基于弹性的力学性能研究
• 1.4.2 基于粘弹性的力学性能研究
• 1.5 问题提出与本文研究内容
• 1.5.1 问题提出
• 1.5.2 本文主要研究内容
• 1.5.3 本文研究技术路线
• 第二章 接缝填缝料粘弹性能试验与分析
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验加载方案
• 2.3 试验温度条件确定
• 2.4 试件的制备与固化
• 2.4.1 试件的成型
• 2.4.2 试件的固化
• 2.5 应变扫描和应力松弛试验
• 2.6 试验结果分析
• 2.6.1 填缝料的线粘弹性范围的确定
• 2.6.2 应力松弛试验结果分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 填缝料的粘弹模型
• 3.1 高聚物粘弹性的应力松弛力学模型
• 3.1.1 线性粘弹性模型
• 3.1.2 Maxwell 模型
• 3.1.3 Maxwell-Weichert 模型
• 3.2 ANSYS 有限元软件的粘弹模型
• 3.2.1 ANSYS 的粘弹模块介绍
• 3.2.2 参数输入形式
• 3.3 填缝料粘弹力学模型
• 3.3.1 数据曲线拟合
• 3.3.2 回归系数
• 3.3.3 其他温度材料参数的推导
• 3.4 本章小结
• 第四章 在温度荷载作用下填缝料的受力特性
• 4.1 温度计算工况的确定
• 4.1.1 温度实测数据分析
• 4.1.2 计算工况
• 4.2 填缝料的结构有限元模型
• 4.2.1 地基模型
• 4.2.2 弹性地基板理论
• 4.2.3 接触界面理论
• 4.2.4 填缝料的有限元结构模型
• 4.2.5 有限元结构模型验证
• 4.3 水泥面板温度分布
• 4.4 填缝料在温度作用下的受力特性
• 4.4.1 HB-80 沥青填缝料的受力特性
• 4.4.2 三种填缝料的受力特性对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 在行车荷载作用下填缝料的受力特性
• 5.1 行车荷载类型
• 5.2 在行车荷载作用下 HB-80 沥青填缝料的受力特性
• 5.2.1 相邻面板的位移差
• 5.2.2 填缝料各时刻的受力状态
• 5.2.3 在行车荷载作用下 HB-80 沥青填缝料的受力特性
• 5.3 在行车反复作用下三种填缝料的受力特性对比
• 5.3.1 冬季低温
• 5.3.2 夏季低温
• 5.3.3 冬季高温
• 5.3.4 夏季高温
• 5.4 本章小结
• 第六章 在温度和行车荷载耦合作用下填缝料的受力特性分析
• 6.1 计算工况
• 6.2 冬季负温差与行车荷载耦合
• 6.2.1 接缝处竖向位移差和宽度变化值
• 6.2.2 填缝料的受力状态
• 6.2.3 HB-80 沥青填缝料的受力特性分析
• 6.2.4 三种填缝料的受力特性对比
• 6.3 夏季负温差与行车荷载耦合
• 6.3.1 接缝处竖向位移差和宽度变化值
• 6.3.2 三种填缝料的受力特性对比
• 6.4 冬季正温差与行车荷载耦合
• 6.4.1 接缝宽度变化值
• 6.4.2 三种填缝料的受力特性对比
• 6.5 夏季正温差与行车荷载耦合
• 6.5.1 接缝处竖向位移差和宽度变化值
• 6.5.2 三种填缝料的受力特性对比
• 6.6 探讨填缝料的破坏机理
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文主要研究结论
• 7.2 进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介