关键词：
沥青路面
沥青混合料
沥青胶浆
多尺度
细观力学模型
最邻近表面函数
动态模量
蠕变
摘要：
车辙是我国沥青路面的主要病害之一,其变形量的绝大部分由沥青混合料层的永久变形所贡献。而沥青混合料的抗车辙能力则主要由其组成成分性能及相互作用所决定,尤其是矿料间的相互作用。但长期以来,研究人员多关注矿料的接触或嵌挤状态,缺少对矿料整体空间分布与相互作用的统一认识。沥青混合料是一种多尺度复合材料,颗粒相互作用现象存在于沥青胶浆、沥青砂浆与沥青混合料各个尺度。动态模量是沥青混合料抵抗变形的重要力学性能指标,也是联接沥青混合料细观结构与宏观性能的关键多尺度指标。因此,有必要研究细观结构分布特征与沥青混合料动态模量性能及其蠕变行为的关联机制。为此,本论文根据空间尺度的颗粒分布与相互作用特征,结合概率统计方法与解耦层级多尺度分析方法对沥青混合料动态模量与蠕变柔量进行预估研究。主要工作如下:首先,根据颗粒协同行为,通过统计理论重新审视沥青胶浆的填料硬化效应。基于最邻近表面函数、概率统计理论、细观力学及基体-颗粒交互作用,构建了分析沥青胶浆硬化机理的通用性技术框架,实现对沥青胶浆内部细观结构信息的利用。根据沥青-填料相互作用机理,引入了可渗透过渡区与可互穿填料颗粒的概念,并建立了一种计算填料临界体积分数的方法,考虑了填料分布特征,突破了现有概念模型经验性拟合的局限性。通过沥青胶浆内填料最邻近表面相关参数得到了填料在沥青胶浆内的统计分布规律,并从统计角度揭示了填料颗粒相互作用增强机理。其次,通过结合细观力学均匀化等效思想与分形统计思想,考虑填料分布特征,改进了三种粘弹性细观力学模型(DM、MTM、SCM)。基于改进的MTM和SCM,通过两步均匀化方法建立了SC-MT联合模型。基于不同填料体积分数的沥青胶浆流变试验结果,验证了所构建模型的适用性,并解析了模型参数的含义。利用四种模型预估了沥青胶浆动态剪切模量及其增强效应随无量纲粒径的分布特征,分析了不同参数对该分布特征的影响规律。结果表明:所构建SC-MT联合模型可以有效预估沥青胶浆的动态剪切模量;填料体积分数越大,沥青胶浆动态剪切模量受颗粒粒径影响越显著,胶浆增强机理中的颗粒效应越显著。第三,根据沥青胶浆内填料颗粒的空间分布特征,建立了考虑最邻近表面间距的沥青胶浆均匀化等效方案。利用Vorono(?)图和Stienen模型分析了填料体积分数的局部涨落特征,并解析了等效模型的相关体积分数。基于此,推导建立了沥青胶浆动态剪切模量的预估模型(MH-MRP)。利用最邻近表面函数确定了各档填料颗粒的分布系数。采用标准的Sigmoid函数和Williams-Landel-Ferry方程,构建了沥青胶浆动态模量主曲线。基于不同填料体积分数的沥青胶浆动态模量试验结果,验证了该模型的适用性,对比分析了MH-MRP模型与传统模型(GSC模型、MT模型、DEMT模型)的预估结果。结果表明:沥青胶浆内各档填料的分布系数具有较大差异,且分布系数随体积分数增大而显著降低;MH-MRP模型的预估效果最好,所有模型预估精度随填料体积分数增大和温度升高而降低。最后,基于沥青胶浆的MH-MRP模型,通过多步均匀化方法,并以粗集料和空隙作为夹杂相,构建了沥青混合料的MH-MRP模型。基于最邻近表面函数与分形级配理论,建立了粗集料最邻近表面间距的计算方法。根据沥青混合料的矿料设计级配,通过最邻近表面函数计算了各档粗集料的最邻近表面间距,并分析了其变化规律。根据设计的多尺度动态模量试验结果,预估和验证了所构建模型的适用性。考虑粗集料颗粒间相互作用,探究了粗集料最邻近表面间距对沥青混合料蠕变行为的影响。基于改进MRP模型与沥青砂浆的黏弹性本构关系,通过弹性-黏弹性对应原理,建立了沥青混合料细观蠕变模型,并将预估结果与试验结果比较验证,随后分析了影响沥青混合料蠕变行为的细观因素。结果表明:沥青混合料MHMRP模型反映了颗粒相互作用特征,可较好地预估有效动态模量;沥青混合料蠕变行为对粗集料分布系数非常敏感;蠕变柔量随分布系数减小而减小,随空隙率增加而增大,且粗集料分布系数越大,蠕变行为对空隙率越敏感;该蠕变预估模型可实现粗集料颗粒级配优化设计,提高沥青混合料的抗车辙能力。
