（道路与铁道工程专业论文）基于细观力学的沥青混合料黏弹性能研究.pdf

删 s t u d yo nv i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so fa s p h a l tm i x t u r e sb a s e d o nm i c r o m e c h a n i c s at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y w a n g z h i c h e n ( h i g h w a ya n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a oy i n g h u a a s s o c i a t ep r o f e s s o rg u o n a i s h e n g j u n e2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 基王绁观左堂的逦壹湿金垫黏登蛙篚婴窒= = 。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：王盘! 匿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 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do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a c r ol n d e x a n dp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e st h r o u g hp h e n o m e n o l o g i c a la n de x p e r i e n t i a l m e t h o d s ，w h i ri sd i f f i c u l tt or e v e a lp h y s i c a lm e c h a n i s mo fm a t e r i a ld e f o r m a t i o na n d d i s t r e s s h o w e v e r , t h em i c r o s t r u c t u r eo fa s p h a l tm i x t u r e si sf a rm o r ec o m p l i c a t e d a s p h a l tm i x t u r e si s o n eo ft y p i c a lv i s c o e l a s t i cm a t e r i a l s ，t h e r ea r ec l o s er e l a t i o n s b e t w e e ni t sv i s c o e l a s t i c i t ya n dr o a dp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , a s p h a l tm i x t u r e sa r e t r e a t e da sam u l t i p h a s ec o m p o s i t e ，t h ee f f e c to fm a t e r i a lp r o p e r t i e sa n di n t e r n a ls t r u c t u r e o ni t sv i s c o e l a s t i c i t yi sr e s e a r c h e db a s e do nm i c r o m e c h a n i c s f i r s t l y , c r e e pp e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cm o d u l u st e s to fa s p h a l tm i x t u r e sa n d a s p h a l tm o r t a ra r ec o n d u c t e dt oa n a l y z ev a r i a t i o n so fv i s c o e l a s t i c i t yr e s p e c t i v e l y , a n d t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ev i s c o e l a s t i c i t y a r e d i s c u s s e d s e c o n d l y , u s i n g m i c r o m e c h a n i c so fc o m p o s i t em a t e r i a l s ，h a s h i nc o m p o s i t es p h e r e sm o d e li si m p r o v e d a n ds i m p l i f i e d ，a n db a s e do nt h ee l a s c t i c v i s c o e l a s t i cc o r r e s p o n d e n c ep r i n c i p l e ，a m i c r o m e c h a n i c a lm o d e li sd e v e l o p e dt op r e d i c tt h ev i s c o e l a s t i c i t yo fa s p h a l tm i x t u r e s i nt h i sm o d e l ，a s p h a l tm i x t u r e sa r er e g a r d e da sat h r e e - p h a s ec o m p o s i t eb ye m b e d d i n g t h ec o a r s ea g g r e g a t ea n da i rv o i di n t ot h ea s p h a l tm o r t a r e f f e c to fa g g r e g a t es i z e ， a g g r e g a t eg r a d a t i o na n da i rv o i dd i s t r i b u t i o na r et a k e n i n t oa c c o u n ti nt h i sm o d e l c r e e p a n dr e l a x a t i o np r o p e r t i e so fa s p h a l tm i x t u r e sa r ep r e d i c t e dw i t ht h en e w l yd e v e l o p e d m o d e l ，a n dt h ef a c t o r sa f f e c t i n g t h ev i s c o e l a s t i c i t ya r ea l s oe x p l o r e d l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t sr e s u l t sa r eu s e dt ov e r i f yt h ed e v e l o p e dm o d e l r e s u l t ss h o wt h a t a d i s c r e p a n c ye x i s t sb e t w e e nt h ep r e d i c t e da n dm e a s u r e dv i s c o e l a s t i c i t y , t h er e a s o n sf o r t h ed i s c r e p a n c ym a yb ea t t r i b u t e dt ot h ed i f f e r e n c e sb e t w e e na s s u m p t i o no fm o d e la n d i n t e r n a ls t r u c t u r e ，i n t e r f a c ei n t e r a c t i o no fe a c hp h a s e t h u s ，t h ei n t e r m e d i a t et r a n s i t i o n l a y e r ( i t l ) i sp r o p o s e d ，a n dt h em o d e li sm o d i f i e db a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e i tc a l l b ef o u n dt h a tt h ep r e d i c t e dr e s u l t sa g r e er e a s o n a b l yw e l lw i lt h em e a s u r e do n e su s i n g t h em o d i f i e dm o d e l 英文摘要 m o r e o v e r , t h ev i s c o e l a s t i c i t yo fg r a n u l a t e dc r u m br u b b e r ( g c r ) m o d i f i e da s p h a l t m i x t u r e si sa l s oi n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r , t h ee f f e c to fg c r c o n t e n to nv i s c o e l a s t i c i t y o fa s p h a l tm i x t u r e si sa n a l y z e dt h r o u g hc r e e pp e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cm o d u l u st e s t ， a n dt h em e c h a n i s mo fg c ra lea l s or e s e a r c h e d r e s u l t si n d i c a t et h a tt h i st y p e so f a s p h a l tm i x t u r eh a sb e t t e rl o wt e m p e r a t u r er e l a x a t i o np r o p e r t yt h a nh i g ht e m p e r a t u r e c r e e pp e r f o r m a n c e ，t h er e a s o n a b l ec o n t e n to fg c rb yw e i g ho fa s p h a l tm i x t u r ei s2 c o n s i d e r e dt h ef a c t o r sa b o v e t h ev i s c o e l a s t i cm i c r o m e c h a n i c a lm o d e lo fg c r m o d i f i e da s p h a l tm i x t h r e si sa l s oc r e a t e db a s e do nt h em o r i t a n a k am e t h o d ，a n d p r e d i c t e dp r e c i s i o no ft h em o d e li sv e r i f i e da n da n a l y z e dc o m p a r e dw i t ht h et e s t e d r e s u l t s k e yw o r d s ：v i s c o e l a s t i c ：a s p h a l tm i x t u r e s ：m i c r o m e c h a n i c s ：a s p h a l tm o r t a r ； g r a n u l a t e dc r u m br u b b e r 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 沥青混合料的黏弹性能3 1 2 2 沥青混合料的细观力学模型。4 1 2 3 橡胶颗粒沥青混合料6 1 3 本文主要研究内容7 第2 章基本理论介绍9 2 1 黏弹性本构理论9 2 1 1 积分型本构关系9 2 1 2 本构模型理论1 0 2 2 复合材料细观力学理论1 5 2 2 1m o r i t a n a k a 方法1 5 2 2 2 广义自洽法17 2 3 本章小结。21 第3 章沥青混合料及沥青砂浆的黏弹性能试验2 2 3 1 沥青混合料及沥青砂浆试件。2 2 3 1 1 试验材料2 2 3 1 2 最佳沥青用量的确定2 2 3 1 3 试件制作方法2 6 3 2 蠕变性能试验2 6 3 2 1 试验方法2 6 3 2 2 试验结果分析2 7 3 2 3 蠕变性能分析2 8 3 2 4 基于蠕变试验的松弛性能分析3 l 3 3 动态模量试验3 2 3 3 1 试验方法3 2 3 3 2 试验结果分析3 3 3 4 本章小结3 5 第4 章沥青混合料黏弹性能的细观力学模型3 7 4 1 细观力学模型的建立3 8 4 1 1 弹性模量预测模型3 8 4 1 2 模型简化3 9 目录 4 1 3 空隙的影响4 1 4 1 4 黏弹性能预测模型4 3 4 2 模型验证及修正4 4 4 2 1 模型参数4 4 4 2 2 预测与试验结果对比4 5 4 2 3 模型修正4 7 4 3 影响因素分析5 0 4 3 1 粗集料模量5 0 4 3 2 粗集料泊松比5 0 4 3 3 粗集料级配组成5 1 4 3 4 沥青砂浆黏弹性能5 2 4 3 5 沥青砂浆泊松比5 3 4 4 本章小结。5 4 第5 章橡胶颗粒沥青混合料的黏弹性能研究5 5 5 1 马歇尔试验5 5 5 2 蠕变性能试验一5 6 5 2 1 试验方法5 6 5 2 2 试验结果分析5 6 5 2 3 黏弹性分析5 7 5 3 动态模量试验一6 0 5 3 1 试验方法6 0 5 3 2 试验结果分析6 0 5 4 橡胶颗粒沥青混合料的细观力学模型探讨6 l 5 4 1 弹性模量预测模型6 2 5 4 2 蠕变与松弛性能预测模型6 2 5 4 3 模型验证6 4 5 5 本章小结6 5 第6 章结论与展望6 6 6 1 主要结论6 6 6 2 进一步研究展望6 7 参考文献6 8 攻读学位期间公开发表论文7 3 致 射7 4 研究生履历7 5 基于细观力学的沥青混合料黏弹性能研究 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 沥青路面在使用过程中，经受着行车荷载和自然因素等多重作用。为提高沥青路面 的使用性能，研究人员采用不同的沥青混合料设计方法来确定最强劲的骨架支撑和最合 理的沥青砂浆、空隙分布，现行的沥青混合料设计方法主要包括m a r s h a l l 设计法和 s u p e r p a v e 设计体系。 m a r s h a l l 设计法应用较为广泛，而s u p e r p a v e 设计体系是基于体积法来进行沥青混 合料设计，较传统的m a r s h a l l 设计法有较大进步，但仍缺乏有效的理论依据与验证手段 【1 1 。目前，应用这两种方法设计的沥青路面仍存在较多工程病害。m a r s h a l l 设计法与 s u p e r p a v e 设计体系均局限于采用表象法和经验法来研究沥青混合料性能，即研究沥青 混合料宏观品质与路用性能的相关性，提出合理的宏观指标来进行沥青混合料设计【2 1 。 然而，在设计中却可能出现宏观指标颇为接近而实际路用性能却相差很大的矛盾现象， 这主要由于当前的沥青混合料设计体系忽略了沥青混合料细观结构的复杂性以及细观 结构组成( 集料形状、尺寸、空隙特征、沥青薄膜厚度和沥青砂浆的空间分布等) 对沥青 混合料性能的影响【3 1 。长期的研究和实践表明，沥青混合料的力学性能远比想象中复杂 得多，单纯从宏观角度已无法深入分析其复杂的力学行为，而沥青混合料的细观结构是 决定其宏观性质的关键因素。 随着基于层状体系路面结构计算方法研究的深入，沥青路面设计理论也日臻完善。 沥青混合料是典型的黏弹性材料，其力学性能强烈依赖于温度和加载时间。为了使设计 参数更接近于路面实际工作状态，各国的沥青路面设计体系均倾向于考虑沥青混合料的 黏弹特性 4 1 。 事实上，沥青混合料的细观组成是影响沥青路面实际工作性能的内在因素，而沥青 混合料黏弹性能的细观研究为进一步研究沥青混合料黏弹特性提供了理论基础和重要 途径。 沥青混合料的细观效应研究，首先需对细观组成进行分类。早期研究中，简单地依 据材料类别将其视为由沥青、集料、矿粉和空隙组成的多相复合材料。随着研究深入发 绪论 现，矿粉与沥青常组成均匀的沥青胶浆，因此又将其简化为由沥青胶浆、集料和空隙组 成的三相多孔材料。随着计算机层析识别技术( x 。r a yc t ) 在沥青混合料细观研究中应用， 研究人员利用数字图像技术处理时发现，沥青混合料中细集料粒径较小( 2 3 6 m m ) i 三 数 量较多，在常用扫描图片中细集料与沥青胶浆的混合难以区分。因此，为简化分析，将 沥青混合料视为沥青砂浆( 沥青、矿粉、细集料混合物) 、粗集料和空隙组成的三相复合 材料。 制作各组分相含量和力学性能不同的沥青混合料试件，通过室内试验可以分析细观 组成参数对于沥青混合料宏观性能的影响【5 。6 】。这些研究虽然已经深入到细观层次，但 大多数仍是停留在经验指标及试验分析上，大量重复性试验不仅研究费用高、效率低， 且没有形成有效的力学方法，无法从力学机理上分析细观组分相的作用，而造成这种现 象的原因在于细观指标转换到宏观参数存在困难，只能进行经验性的应用，复合材料细 观力学理论为此提供了有效的分析工具【7 】。 复合材料细观力学研究的目的在于建立复合材料宏观性能与各组分材料性能及细 观结构之间的定量关系【8 】。复合材料在结构分析中的作用可以用与其具有相同弹性性能 的等效介质来代替，这种等效介质称的弹性模量为复合材料的等效弹性模量。影响沥青 混合料等效模量的因素主要分为两类： ( 1 ) 沥青混合料中各组分材料的弹性性能。 ( 2 ) 沥青混合料内部的细观结构特性，包括夹杂相形状、几何尺寸、在基体中的分 布和夹杂相之间的相互作用。 考虑上述因素的影响，应用较为成熟的等效模量预测方法包括m o r i t a n a k a 方法、 广义自洽理论和微分介质法等，其可以根据各组分相的弹性性能和体积分数来预测沥青 混合料的等效模量，并对其影响因素进行分析。但这些预测方法的使用均具有局限性， 即理论假设条件与沥青混合料的实际细观特性不一致，则预测结果可能会出现误差。另 外，上述预测方法仅限于弹性范围内，而沥青混合料为黏弹性材料，弹性一黏弹性转化 问题还有待解决。因此，如何在已有研究成果的基础上，对预测模型进行改进，使其能 够表征沥青混合料的真实细观结构特征，并可以用来预测及分析沥青混合料的黏弹性能 具有十分重要的意义。 基丁细观力学的沥青混合料黏弹性能研究 另外，外掺材料的加入可以改善沥青混合料的路用性能，关于纤维和胶粉沥青混合 料的研究已较为深入【9 。10 1 ，而橡胶颗粒沥青混合料因其优越的降噪减震和除冰雪特性近 年来备受关注，并已在我国北方地区投入使用。尽管橡胶颗粒沥青混合料的特有路用性 能已得到较好的验证【。2 1 ，然而其在常、高温下的黏弹性能还有待进一步研究，将黏弹 性能作为标准来确定合理的橡胶颗粒掺量仍需一些基础性的探索。当前该方面的研究仍 停留在试验阶段，关于橡胶颗粒沥青混合料的理论研究尤其是细观力学模型的研究对深 入探讨橡胶颗粒的作用机理具有特殊的意义。 1 2 国内外研究现状 本节从沥青混合料的黏弹性能、细观力学模型和橡胶颗粒沥青混合料三方面来对当 前的研究进展进行论述，分析研究中存在的问题，并对研究方向进行展望。 1 2 1 沥青混合料的黏弹性能 沥青混合料具有依赖温度和荷载作用时间的黏弹性状，这种特性直接影响着路面的 使用性能，尤其是高温车辙和低温开裂。为了设计性能优越的沥青混合料以提高路面的 使用寿命，国内外学者对沥青混合料的黏弹性能进行了大量研究。 沥青混合料的黏弹性参数是表征其黏弹性能的重要标志。在早期的研究中，由于缺 乏专门的设备来有效地测定和计算沥青混合料的黏弹性参数，常用图解法来预估其性能 参数，即5 0 年代中期v a nd e r p o e l 建立了估算各类沥青在较大范围温度和荷载作用时间 条件下的劲度模量诺漠副】。随着研究的深入及试验设备条件的提高，研究人员更多的 采用试验方法来确定其黏弹性参数。目前，试验方法主要分为：蠕变试验、松弛试验和 动态模量试验【1 4 1 。为了更方便于工程应用及力学分析，一些学者开始将流变学理论应用 于沥青混合料的黏弹性研究。 m o n i s m i t hc l 应用流变理论对沥青混合料的黏弹性能进行研究，证实可以用四参 量黏弹性流体b u r g e r s 模型来模拟沥青混合料的黏弹性厨1 5 】。a n t o n is z y d l o 通过蠕变试 验获得b u r g e r s 模型参数，应用有限元方法对路面车辙进行预估，分析结果得出其中两 个参数值对沥青混合料的车辙深度起着至关重要的作用【1 6 】。a r a b b a s 应用广义 m a x w e l l 模型表征沥青混合料的剪切性能，并用试验结果对模型适用性进行了验证【1 7 1 。 绪论 在国内，长沙理工大学郑健龙等人对沥青混合料黏弹性参数的研究较为深入。1 9 9 5 年，郑健龙应用b u r g e r s 模型来描述沥青混合料的黏弹性动态特性，通过引入指数型损 伤函数，提出了应用该模型分析沥青混合料疲劳过程的方法【l8 1 。郑健龙( 1 9 9 6 ) 通过裂缝 梁纯弯曲试验来研究沥青混合料的延迟开裂性能，结果表明：沥青混合料具有黏弹性流 体特征，裂缝在沥青混合料中的扩展表现出明显的黏弹塑性断裂特征，且证实研究沥青 混合料断裂参数时，简单热流变材料的本构模型依然适用【1 9 】。周志刚、郑建龙等( 2 0 0 1 ) 采用b u r g e r s 模型来模拟直接拉伸试验下沥青混合料的黏弹性特性，提出了黏弹性参数 确定的非线性规划数学模型，并给出该数学模型的l i e b e n b e r g - m a r q u a r d t 求解方法【2 0 1 。 郑健龙等( 2 0 0 4 ) 针对不同温度条件下沥青混合料的应力松弛特征开展了试验研究，并应 用热流变简单材料的时温等效原理对试验结果进行了分析和参数拟合，以此提出了一种 描述变温条件下沥青混合料温度应力松弛特性的热黏弹性本构模型，并通过温度收缩应 力试验的模拟对该模型的合理性进行了验证【2 1 1 。郑健龙、吕松涛等( 2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 采用广义 m a x w e l l 模型来模拟沥青混合料的松弛性能，用累计耗散能分析沥青混合料的疲劳破坏、 累计耗散能与疲劳寿命之间的关系，并简要说明了累积耗散能的求解方法【2 2 之3 1 。 b u r g e r s 模型可以用来描述沥青混合料的黏弹性能，但该模型并不能反映沥青混合 料黏滞度随加载时间的延长而增大的固结效应，针对此缺陷，徐世法【2 4 】对b u r g e r s 模型 进行修正，提出了能够精确表征沥青混合料变形特征的“四单元、五参数”模型。但由 于修j 下模型参数确定较为复杂、蠕变与松弛形式转换存在困难，在研究中应用较少。 近年来，为了使模型更好地反映沥青混合料的黏弹性特征，一些学者考虑了非线性 和疲劳损伤等影响因素，建立了沥青混合料的非线性、疲劳损伤等黏弹性模型【2 5 之6 1 ，虽 然这些模型拟合结果更为准确，但模型中部分参数力学意义并不明确，参数确定较为复 杂且存在一定的局限性，不便于工程应用。 1 2 2 沥青混合料的细观力学模型 通过试验方法可以直接研究沥青混合料的力学性能，但周期较长、耗费大量的人力 和材料。为此，相关研究人员更寄望于建立细观力学模型对其力学性能进行预测，以及 量化各项因素对其力学性能的影响。关于沥青混合料细观力学模型的研究主要有路易斯 基于细观力学的沥青混合料黏弹性能研究 安那州立大学( l o u i s i a n as t a t eu n i v e r s i t y ) 的g u o q i a n gl i 研究团队和田纳西大学( t h e u n i v e r s i t yo f t e n n e s s e e ) 的b a o s h a nh u a n g 研究团队，这两位学者及其团队的研究成果基 本引领了当今世界在沥青混合料细观力学模型领域的发展潮流，而两支团队之间的合作 更是代表着沥青混合料细观力学模型的未来发展趋势。 1 9 9 9 年，l i 等在c h r i s t e n s e na n dl o 三相球模型的基础上，考虑了中间过渡层的作 用，提出了水泥混凝土有效体积模量预测的细观力学模型【2 7 1 。l i 等( 1 9 9 9 ) 在弹性力学和 细观理论的基础上，提出了更符合水泥混凝土细观结构的四相球模型，并用该模型来预 测水泥混凝土的杨氏模量，对影响因素进行了分析【2 8 1 。随后，l i 研究团队将细观力学模 型的应用转向沥青混合料领域。 1 9 9 9 年，l i 等提出了沥青混合料的三相球模型，将沥青视为基体，集料为夹杂相， 忽略空隙的影响作用，对沥青混合料的弹性模量进行预测，由于缺乏试验结果，并没有 对该模型预测结果的准确性进行分析1 2 9 1 。2 0 0 5 年，团队成员l i 和m e t c a l f 将沥青混合 料视为粗集料和沥青砂浆组成的两相复合材料，迸一步将沥青砂浆看成由细集料和沥青 胶浆( 沥青与矿粉组成) 组成的两相复合材料，由此提出了预测沥青混合料的弹性模量的 两步法，结果表明预测值与试验值较为接近【3 0 】。2 0 0 5 年，h u a n g 研究团队与l i 进行合 作，对含有中间过渡层( i n t e r m e d i a t et r a n s i t i o nl a y e r , i t l ) 的沥青混合料细观结构进行探 讨，研究表明i t l 可以减少界面的应力一应变集中现象，并通过室内试验和有限元分析 对i t l 的真实存在性作了初步验证【3 l 】。2 0 0 7 年，h u a n g 等在已有研究成果的基础上， 提出了含有i t l 的沥青混合料细观力学模型，并分析了i t l 的模量对于沥青混合料弹性 性能的影响，但该模型的预测精度还有待进一步验证【3 2 1 。 尽管上述细观力学模型可以用来预测沥青混合料的力学性能，但都仅限于弹性范 畴，将弹性细观力学模型过渡至黏弹性范围便成为一个必然的研究课题。s h u 和 h u a n g ( 2 0 0 7 ，2 0 0 8 ) 将沥青混合料视为两层材料，即沥青胶浆裹附的集料夹杂在的沥青混 合料等效介质中，并考虑了集料尺寸、级配组成和空隙影响，应用细观力学理论和黏弹 性对应原理推导出沥青混合料的动态模量预测表达式，并将预测值与试验值进行对比， 发现在较高频率下预测值与试验值较为接近，但整体预测值较试验值偏低【3 3 捌】。 绪论 国内关于沥青混合料细观力学模型的研究起步较晚，但对细观力学模型修正方法作 了初步的探讨。关于弹性细观力学模型的研究，朱兴一等( 2 0 1 0 ) 应用文献 3 3 3 4 中的预 测模型，结合多步骤方法，即将各档粒径集料与空隙逐一投入，然后进行均匀化，得到 多夹杂复合材料弹性模量，与试验值对比的结果表明，预测值与试验值基本一致【3 5 1 。 在黏弹性细观力学模型方面的研究则主要集中于蠕变性能预测，闵召辉等( 2 0 0 4 ) 应 用m o r i t a n a k a 方法和黏弹性对应原理对环氧沥青玛蹄脂的蠕变性能进行了预测，并采 用逾渗理论对预测值进行修正，修正后的预测值与试验值吻合较好【3 6 】。薛国强等以沥青 砂浆为基体，考虑粗集料和空隙的影响，利用m o i l t a n a k a 方法和l a p l a c e 变换原理直 接推导了沥青混合料的黏弹性本构方程，并分析了空隙率、泊松比等因素对沥青混合料 黏弹性能的影响【7 3 7 1 。为了验证该本构方程的正确性，张裕卿等对粗集料增强系数进行 预测，将静态蠕变试验换算结果与预测结果进行对比，发现预测值比试验值低2 5 左右， 并将误差归因于m o i l t a n a k a 方法对集料间相互作用的弱化效应，同样采用逾渗理论对 预测值进行修正，修正后的模型预测值与试验值较为接近【3 8 】。 在以上关于沥青混合料细观力学模型研究的文献中，m o r i t a n a k a 方法假设微小的 夹杂相镶嵌于无限大的均匀介质当中，因此文献 3 6 3 8 应用该方法进行细观分析时，未 考虑集料尺寸的影响作用，这与沥青混合料的真实结构存在一定的偏差。文献 3 3 3 4 】 提出的模型较好地符合了沥青混合料的真实结构组成，考虑了集料尺寸和级配效应的影 响作用，但仅对其动态模量进行了预测，未对预测结果进行修正。 蠕变与松弛是反映沥青混合料黏弹性能的重要指标，因此，建立可以表征沥青混合 料真实结构的细观力学模型来预测其蠕变和松弛性能显得尤为关键。当前关于模型修正 理论的研究主要集中于直接应用逾渗理论对夹杂相体积分数进行修正。实际上，该理论 中的部分参数为经验取得，在沥青混合料领域的适用性还尚需进一步考究。从沥青混合 料本身的细观结构角度出发，文献 3 1 3 2 】已经证实i t l 的真实存在性，但在预测模型中 却没有充分考虑，将i t l 作为夹杂相加入预测模型中，分析i t l 的厚度和性能对沥青混 合料黏弹性的影响，据此确定合理的i t l 参数对模型进行修正，也是一个重要研究方向。 1 2 3 橡胶颗粒沥青混合料 基于细观力学的沥青混合料黏弹性能研究 橡胶颗粒是一种有机高分子材料，其性质与石料具有明显差异，橡胶颗粒的添加改 变了沥青混合料内部的组成结构和材料间的粘结接触状态，同时也给混合料的级配组成 设计、力学性能研究等带来了新的问题。 关于橡胶颗粒沥青混合料的研究开始于上世纪8 0 年代，h e i t z e m a n ( 1 9 9 2 ) 率先将橡 胶颗粒作为骨料添加到沥青混合料中，作为路面磨耗层使用【3 9 1 。美国工程兵寒冷地区工 程实验室将4 7 5 9 5 m m 的橡胶颗粒加入沥青混合料中，通过研究发现，橡胶颗粒沥青 混合料可以有效地破除路面结冰，且橡胶颗粒掺量越高，除冰雪效果越明显【4 0 】。 在国内，关于橡胶颗粒沥青混合料的研究主要有两个方面： 2 0 0 6 年，哈尔滨工业大学谭忆秋等在西部交通建设科技项目橡胶颗粒路面应用技 术的研究资助下，率先对橡胶颗粒沥青混合料的级配组成、拌和成型及施工工艺、除 冰雪性能做了深入的研究，取得了大量的研究成果【4 1 4 2 1 。 2 0 0 9 年，内蒙古农业大学高明星等结合内蒙古自治区高等学校科学研究项目废旧 轮胎橡胶颗粒沥青混合料关键技术研究，通过试验采集和有限元模拟对大粒径橡胶颗 粒沥青路面的降噪减振性能进行研列4 3 讲】。 从上述的橡胶颗粒沥青混合料研究现状可以看出，大部分研究的主要目的是通过橡 胶颗粒沥青混合料路用性能、除冰雪和降噪减振性能的研究，铺筑性能良好的橡胶颗粒 沥青路面。而对于该种沥青混合料的黏弹性能，尤其是在高温条件下的蠕变性能还有待 一些基础性的研究。此外，国内外关于橡胶颗粒沥青混合料的研究仍停留在试验范围， 力学性能方面的理论研究较少，为此，本文将尝试建立橡胶颗粒沥青混合料的细观力学 模型，对其黏弹性能进行预测及分析。 1 3 本文主要研究内容 针对沥青混合料黏弹性能和细观力学模型领域的研究现状，本文在已有研究成果的 基础上开展了基于细观力学的沥青混合料黏弹性能研究，主要包括： ( 1 ) 通过不同温度下蠕变试验来研究级配和温度对于沥青混合料和沥青砂浆黏弹 性能的影响，并对蠕变曲线进行b u r g e r s 模型参数拟合。基于蠕变试验和l a p l a c e 变换 绪论 分析沥青混合料的松弛性能，对沥青混合料和沥青砂浆进行动态模量试验，分析粗集料 对于沥青砂浆动态模量的增强作用，探讨相位角的影响因素。 ( 2 ) 基于细观力学理论和黏弹性对应原理，建立沥青混合料黏弹性能的细观力学模 型，使得该模型能够考虑级配、空隙和各组相力学性能的作用，对沥青混合料的蠕变和 松弛性能进行预测，分析各项因素对其黏弹性能的影响，将预测结果与试验结果进行对 比，对模型进行修正。 ( 3 ) 对橡胶颗粒沥青混合料进行蠕变试验和动态模量试验，研究橡胶颗粒掺量对沥 青混合料常、高温蠕变性能的影响，以及分析橡胶颗粒的掺入对于沥青混合料动态模量 的影响，据此给出橡胶颗粒的合理掺量。 ( 4 ) 应用m o r i t a n a k a 方法及黏弹性对应原理，建立橡胶颗粒沥青混合料黏弹性能 的细观力学模型，通过橡胶颗粒和沥青混合料的力学性能对橡胶颗粒沥青混合料的蠕变 和松弛性能进行预测。 基于细观力学的沥青混合料黏弹性能研究 第2 章基本理论介绍 2 1 黏弹性本构理论 本构关系是指描述材料应力一应变一时间温度之间的关系，反映材料宏观性质的 数学模型【4 5 】。本研究中黏弹性材料均为线性黏弹性，即材料的应力一应变比率，在任何 加载历程下都只是时间的函数。在指定温度下，黏弹性仅表现为材料性质随时间的变化 关系。 2 1 1 积分型本构关系 蠕变与应力松弛是黏弹性材料的两个基本特性。在t = 0 时刻施加常应力盯，应变随 时间以逐渐减少的速率增加的过程称为蠕变。相反，在t = 0 时刻施加常应变g ，应力随 时间以逐渐减少的速率削减的过程称为应力松弛。 ( 1 ) 蠕变型积分本构关系 蠕变柔量函数，( f ) 是指在单位阶跃应力下黏弹性材料产生的蠕变响应，表示为 占( f ) = ，( f ) 仃( 2 1 ) 式中，仃为施加的阶跃应力。在连续的应力加载条件下，以积分的形式表示为 ) = 挑叫掣d f ( 2 2 ) ( 2 ) 松弛型积分本构关系 松弛模量函数g ( t ) 是指在单位阶跃应变作用下黏弹性材料产生的应力响应，可表示 为 i t ( t ) = g ( f 弦 式中，占为施加的阶跃应变。积分形式的本构关系为 叩) = f g ( f 叫警如 ( 3 ) 蠕变柔量与松弛模量关系 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 基本理论介绍 从材料的黏弹性本构关系可以看出，蠕变柔量j ( t ) 与松弛模量g ( t ) 之间较为复杂， 并不具备弹性力学中柔量与模量之间的互逆关系，即e = j 。实际上，j ( t ) 与g ( t ) 的关 系可通过l a p l a c e 变换导出。据此对式( 2 2 ) 进行l a p l a c e 变换可得 邢m 胁jr