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基于宏细观方法的复合改性沥青混合料低温开裂特性研究

基于宏细观方法的复合改性沥青混合料低温开裂特性研究

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作者：罗学东内蒙古工业大学

学位级别：硕士

沥青路面在低温季节容易开裂,严重影响路面的使用寿命。相关研究发现SBS改性沥青具有优异的路用性能,但造价高昂,广泛应用受到限制。胶粉改性沥青具有良好的低温性能,但存在施工和易性差、易离析等问题,因而对其应用也造成较大影响。为... 详细信息

沥青路面在低温季节容易开裂,严重影响路面的使用寿命。相关研究发现SBS改性沥青具有优异的路用性能,但造价高昂,广泛应用受到限制。胶粉改性沥青具有良好的低温性能,但存在施工和易性差、易离析等问题,因而对其应用也造成较大影响。为改善上述问题得到低温抗裂性能更佳的改性沥青,将两种改性剂进行复配,制备SBS/胶粉复合改性沥青及其混合料(CCRMA),并与SBS改性沥青及其混合料(SBSMA)进行对比研究。由于沥青混合料是一种复合材料,其宏观力学行为与其细观结构特性具有内在联系。故本文基于宏细观试验方法对两种沥青的低温性能、沥青-集料粘附性、沥青混合料的低温开裂特性进行对比分析。主要研究内容如下:首先,对老化和冻融循环作用前后的SBS改性沥青(SBS)和SBS/胶粉复合改性沥青(CCR)进行弯曲梁流变(BBR)和红外光谱(FTIR)试验。以m/S值、红外光谱图和化学官能团指数对沥青低温流变性能及化学特性进行分析。结果表明,老化和冻融循环作用均使沥青低温流变性能下降;随着冻融循环次数增加,沥青低温性能在冻融0-5次间下降速率较快,5次之后下降速率均减缓。相比于水冻循环,盐冻循环下的低温性能较差;无论何种条件下,CCR的低温性能、抗老化及抗冻融能力均优于SBS改性沥青。SBS和胶粉对基质沥青进行单一改性或复合改性时,均未发生明显化学反应;老化过程中两种沥青均发生化学反应,冻融循环过程中主要是沥青与溶解在水中的氧发生化学反应,而盐并未与沥青发生明显化学反应;此外,不同条件下羟基和芳环指数的变化与沥青流变性能呈极强相关性,进一步从细观化学特性角度解释了宏观BBR试验结果,相对于芳环,羟基指数更能准确反映沥青的低温流变性能。其次,基于接触角测量和AFM试验,利用表面能和粘附功从宏细观角度对不同条件下两种沥青与集料的粘附性进行分析;从细观尺度对沥青的DMT模量均值(A)和DMT模量均方根误差R进行分析;并对宏细观力学指标进行相关性分析。结果表明,老化和冻融循环作用均使SBS和CCR改性沥青与集料的粘附性下降,降低了沥青-集料界面的抗开裂能力;相比水冻循环,盐冻循环作用下的粘附性较差;无论何种条件下,CCR与集料粘结性能较好,即其与集料界面抗裂能力较强。不同条件下沥青宏观流变性能的降低在细观力学角度表现为A值和R增大,即沥青的弹性增大,变形能力下降,在外部荷载作用下其表面更易发生应力集中现象,促使裂缝生成。不同条件下SBS与CCR改性沥青在两种尺度下的力学特性均呈现较强相关性,证明沥青的细观性能会影响其宏观性能。然后对不同条件下SBSMA和CCRMA进行约束试件温度应力试验和基于数字图像技术(DIC)的小梁三点弯曲试验,采用冻断温度、断裂力学指标(断裂能密度G、临界断裂韧度J)以及基于应变场定义的指标(临界应变Ez、应变导数Eˊ(t)),分别从宏细观尺度对SBSMA与CCRMA的低温开裂特性进行分析,并对宏细观低温性能评价指标与冻断温度进行灰关联分析。结果表明,老化和冻融循环作用降低了沥青混合料抗开裂特性;相比水冻循环,盐冻循环下混合料低温抗裂性能较差;无论何种条件下,CCRMA的低温抗裂性能、抗老化及抗冻融能力均优于SBSMA;冻断试验中,冻断温度与转化点温度可较好的反映沥青混合料在不同条件下低温开裂特性的变化规律;通过灰关联分析,推荐在宏观层面使用G、细观层面使用Ez作为沥青混合料低温开裂特性评价指标。最后,通过相关性分析研究了沥青低温性能和沥青-集料粘附性对沥青混合料低温开裂特性的影响,结果表明,沥青低温流变性和沥青-集料粘附性对沥青混合料低温抗裂性能有重要影响,其中沥青-集料的粘附性对其影响较大。

关键词： SBS/胶粉复合改性沥青混合料宏细观方法老化冻融循环低温开裂特性

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基于细观结构协同效应的沥青混凝土低温开裂行为研究

基于细观结构协同效应的沥青混凝土低温开裂行为研究

引用

作者：赵泽栋山东理工大学

学位级别：硕士

低温开裂是沥青路面的主要病害之一,并在交通荷载、温度等因素的影响下,逐步扩展形成复杂的开裂状态,造成不可逆的材料宏观性能劣化。同时,沥青混凝土作为一种由集料—空隙—沥青砂浆组成的多相复合体系,其细观结构特征与宏观行为具有... 详细信息

低温开裂是沥青路面的主要病害之一,并在交通荷载、温度等因素的影响下,逐步扩展形成复杂的开裂状态,造成不可逆的材料宏观性能劣化。同时,沥青混凝土作为一种由集料—空隙—沥青砂浆组成的多相复合体系,其细观结构特征与宏观行为具有紧密的联系。基于矿料级配、空隙率等的传统视角,已难以满足沥青混凝土深层次抗裂性分析的需求,基于细观结构特征的相关研究成为近年来的热点。沥青混凝土细观结构特征不仅指细观结构自身的几何特性(如集料形态、空隙大小等),也包括不同细观结构空间分布的差异性(如粗集料空间位置、空隙率不均匀分布等)。显然,在沥青混凝土原材料、级配、总空隙率等一定的前提下,细观结构空间分布特性的随机组合会对沥青混凝土抗裂性产生不可忽视的作用。因此,深入研究细观结构空间组合对沥青混凝土低温断裂性能和裂缝扩展规律所产生的协同效应影响,对于明确沥青混凝土低温抗裂性的规律与机制具有积极意义。鉴于此,本文针对沥青混凝土低温开裂问题,以集料和空隙空间组合特征为切入点,采用半圆弯曲试验(SCB)和离散元数值模拟(DEM)相结合的方法,开展了以下研究工作:(1)基于SCB室内试验研究了沥青混凝土低温断裂韧性和裂缝分布的变化规律,并分析了温度(-5℃、10℃)、空隙率(2%、4%、6%)和断裂失效模式(I型、II型、I&II混合型)的影响;(2)通过DEM随机算法构建了沥青混凝土精细化模型,确定了不同细观结构间的接触本构并实现了相应的参数标定,再现了SCB试验加载的全过程,形成了沥青混凝土低温开裂虚拟试验方法,进而通过与室内试验对比验证其可靠性;(3)通过变换大粒径集料空间位置和空隙率空间不均匀分布特征,构建了12类沥青混凝土DEM模型以表征细观结构空间分布组合特征的差异性,在此基础上,基于提出的虚拟试验方法,模拟研究了沥青混凝土在不同温度和断裂失效模式下,沥青混凝土低温断裂韧性、细观接触力和裂缝分布和裂缝走向随细观结构空间分布特征的变化规律,从而揭示了细观结构对沥青混凝土低温开裂行为的协同效应影响。本文研究成果有助于加深对沥青混凝土低温开裂科学问题的理解,为完善沥青混凝土抗裂性设计提供一定依据。

关键词：沥青混凝土低温开裂特性细观尺度协同效应温度断裂加载模式

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