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新旧沥青混溶相—集料界面剪切试验与力学行为研究

新旧沥青混溶相—集料界面剪切试验与力学行为研究

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作者：陈嘉成广州大学

学位级别：硕士

随着我国道路交通的进一步发展,由于道路维修养护产生的废弃沥青混合料路面材料数量剧增,对沥青路面回收料(RAP)的高质量再利用已然成为道路基础设施可持续发展的必然选择。受自然规律和技术实际的限制,再生沥青混合料内部存在大量不同... 详细信息

随着我国道路交通的进一步发展,由于道路维修养护产生的废弃沥青混合料路面材料数量剧增,对沥青路面回收料(RAP)的高质量再利用已然成为道路基础设施可持续发展的必然选择。受自然规律和技术实际的限制,再生沥青混合料内部存在大量不同状态的新旧沥青混溶相-集料界面,这些界面的破坏与失效机理不同于新界面,其显著影响了再生沥青混合料的路用性能。因此,有必要开展不同混溶状态下新旧沥青混溶相-集料界面的失效机理研究,明确影响新旧沥青混溶相-集料界面性能的主要因素,进而有针对性的提高再生沥青混合料的抗裂耐久性。本研究通过集料表面粗糙度测算、AFM形貌观测、新旧沥青混溶特性、沥青膜厚度控制试验、SEM观测沥青膜厚度等手段探究多维影响因素对新旧沥青-集料界面的影响。开发了用于考虑新旧沥青混溶程度、沥青膜厚度、集料表面粗糙度和不同加载角度受荷状态等因素的沥青-集料界面剪切性能研究试验装置与方法。结合界面力学、断裂力学和粘弹性力学等理论体系,探明沥青-集料界面剪切强度性能的变化规律及失效机理。论文的主要工作与研究结论如下:(1)设计开发了一种能够在不同受荷角度的剪压耦合加载模式下测定沥青-集料界面剪切破坏强度的装置和方法,模拟沥青混合料界面中不同方向的应力传递。分析了界面尺寸效应、集料表面粗糙度、新旧沥青混溶程度和沥青膜厚度对新旧沥青-集料界面性能的影响。研究结果表明40mm×20mm的界面区域下进行圆盘剪压耦合加载模式的沥青-集料界面剪切试验结果具有良好的数据可靠性和显著的应力-位移曲线特征。大样本的粗糙度指标测算数据符合对数正态分布规律,将粗糙度数值结果与AFM原子力显微镜形貌成像相结合能有效表征集料表面的纹理分布。利用新旧沥青融合度预估模型实现界面混溶程度的水平控制,并模拟热拌再生沥青混合料的新旧沥青混溶特性。通过MTS恒力加载及SEM形貌观测沥青-集料夹层试件,制备出贴近实际情况的15.2μm沥青膜厚。(2)进行了50°、60°和70°加载角度下新旧沥青混溶相-集料界面剪切试验,试验结果表明剪切性能受新旧沥青融合度DOB、集料表面粗糙度、沥青膜厚度和加载角度的显著影响。60°与70°加载角度的界面抗剪刚度随着DOB的增加而提升,平均提升幅度有10.4%和16.9%,而50°几乎不提升。峰值剪应力随DOB的提升幅度受加载角度的影响,50°加载角度下的峰值剪应力平均增幅为18.8%,60°为26.3%,70°则为44.0%。沥青膜厚度通过改变结构沥青占比影响界面性能,15.2μm、68.7μm和140.3μm三种沥青膜厚度试件剪切试验结果的峰值位移依此增大,分别为0.4130mm、0.5787mm和0.7177mm。集料表面粗糙度通过改变摩擦和嵌挤效应影响沥青-集料粘附性能。不同的剪切性能有着不一样的变化规律,综合全面地分析不同因素的影响规律,进一步探明再生沥青混合料中沥青-集料界面相的剪切强度机理。(3)构建多维界面剪切强度影响因素与界面剪切性能之间的灰关联模型,探明DOB、沥青膜厚度、加载角度、集料表面粗糙度Ra、Rq、Rz、Rt与界面剪切刚度、峰值应力、峰值位移、剪切断裂能、峰前剪切断裂能、残余应力的关联性关系。各因素对剪切断裂能影响程度的灰关联排序为:粗糙度(0.8753)>融合度(0.8461)>剪压比(0.8063)>沥青膜厚度(0.7400),不同的灰关联排序结果进一步完善了界面剪切强度机理。同时建立了不同界面剪切性能的相关性模型,峰值应力与剪切断裂能、峰前剪切断裂能和残余应力均有显著的相关性,相关性系数达0.94、0.90和0.85。剪切断裂能与峰前剪切断裂能和残余应力均有显著的相关性,相关性系数达0.89和0.94。峰值位移与峰前断裂能的相关性系数为0.86。并由灰关联与相关性结果得出界面剪切强度影响因素的优势子因素,为热拌再生沥青混合料的工程实践提供综合性能的优化建议。

关键词：新旧沥青融合度沥青-集料界面性能剪切破坏机理灰关联模型

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