（材料加工工程专业论文）传导型沥青混凝土的流变特性与疲劳研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名掷期：趁必兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本文授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名梅师签名磊即期：出砂 武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 传导型沥青混凝土是指向普通的沥青混凝土中掺入传导相填料( 石墨和碳 纤维等) 使其具有导电、导热性能的一种新型沥青混凝土，利用其电热效应可 进行路面除雪化冰，以保障雪天行车安全。 由于石墨粒径小、吸油能力强及其润滑作用加上碳纤维的加筋增强作用， 二者掺入沥青混合料后可能会对沥青混凝土诸多性能，特别是高温抗车辙能力 和抗疲劳能力产生影响。因此，为了使传导型沥青混凝土应用于实体工程中， 有必要对其力学性能加以研究。本文围绕传导型沥青混凝土的流变性能和疲劳 特性开展试验研究，建立相应的流变和疲劳模型，以为其路面结构力学计算提 供一些材料力学参数。 本文采用动态模量和单轴静态蠕变试验方法，分析了传导型沥青混凝土的 流变性能。通过不同温度( 1 0 6 0 ) 和不同频率( 0 1 h z 2 5h z ) 下的动态模 量试验，建立了传导型沥青混凝土的动态模量主曲线。试验结果表明传导型填 料的掺入提高了沥青混凝土抵抗永久变形( 车辙) 的能力，但增加了沥青混凝 土的低温模量，导致沥青混凝土的低温柔性下降，脆性增大；根据动态模量主 曲线的时温平移因子可知，传导填料的掺入改善了沥青混凝土的温敏性。 6 0 单轴静态蠕变和高温车辙试验结果表明使用b u r g e r s 模型可较好的解释 传导沥青混凝土粘弹性行为，传导型填料的添加明显提高了参量厶，厶，：的 值，但是对参量7 7 ，并没有显著的影响；传导型填料( 石墨和碳纤维) 的加入提 高了沥青混凝土的高温抗车辙性能。 本文采用小梁四点弯曲疲劳试验对传导型沥青混凝土的疲劳特性进行研 究，在已有的三种疲劳模型，如应变或者应力的疲劳模型、应变应力和劲度的 疲劳模型和耗散能疲劳模型的基础上，利用非线性最小二乘法拟合疲劳试验结 果，并以此来评估其疲劳性能。试验结果表明：根据应变应力的疲劳模型分析， 传导型填料的掺入降低了沥青混凝土的疲劳寿命；根据应变应力和劲度的疲劳 模型，应变和初始劲度的增加都会造成疲劳寿命的减小；在低温下( 5 ) ，传导 型填料的掺入，使得沥青混凝土随着初始劲度模量的增加，疲劳寿命下降趋势 更明显；而在中温下( 1 5 ) ，传导型填料的掺入，使得沥青混凝土随着初始劲 度模量的增加，疲劳寿命下降较慢；耗散能疲劳模型结果表明，无论是在低温 还是中温下，传导型填料的加入，导致沥青混凝土的能量损失更快，并不利于 武汉理工大学硕士学位论文 一_ 一 改善沥青混凝土的抗疲劳性能。 关键词：传导型填料，沥青混凝土，动态模量，蠕变，疲劳 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n d u c t i v ea s p h a l tc o n c r e t e ( c a c ) i s p r e p a r e db ya d d i n gt h ec o n d u c t i v ef i l l e r s ， s u c ha sg r a p h i t ea n dc a r b o nf i b e r , i n t ot h eo r d i n a r ya s p h a l tc o n c r e t et om a k et h e o r d i n a r ya s p h a l tc o n c r e t e 、析t h t h ep e r f o r m a n c e so f e l e c t r i c a la n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y w i t ht h eo r i g i n a le l e c t r o t h e r m a le f f e c to fa s p h a l tp a v e m e n t ，t h ec a cc a nm e l ts n o w a n di c eo nt h ep a v e m e n tt oa v o i dt r a f f i ca c c i d e n ti nw i n t e r a st h ec o n c u c t i v ef i l l e r sa r ea p p l i e di nt h ea s p h a l tm i x t u r e ，t h ei n t e r a c t i o n b e t w e e n g r a p h i t e a n d c a r b o nf i b e rw i l li n f l u e n c et h e p a v e m e n tm e c h a n i c a l p e r f o r m a c e s ，e s p e c i a l l yr u t t i n ga n df a t i g u er e s i s t a n c eb e c a u s eh i g i ls p e c i f i cs u r f a c e a r e a , e x c e l l e n tp l l y s i c a la b s o r b i n ga s p h a l ta n dl u b r i c a t i o no fg r a p h i t ew i l ld e s t r o y p e r f o r m a n c e so fa s p h a l tc o n c r e t ew h i l et h ee n h a n c e m e n t o f c a r b o nf i b e rw i l li m p r o v e p e r f o r m a n c e so fa s p h a l tc o n c r e t e i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c a ci ft h ec a ci sa p p l i e di nt h ep r a c t i c a lp r o j e c t s a r o u n dt h ef a t i g u ea n dr h e o l o g y p e r f o r m a n c e so fa s p h a l tc o n c r e t e ，t h er e l a t e de x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti n t h i s p a p e r , a n d t h e c o r r e s p o n d i n g m o d e l sw e r e d e v e l o p e d t o p r o v i d e m e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fm a t e r i a l sf o r t h em e c h a n i c a lc a l c u l a t i o no fp a v e m e n t s t r u c t u r e i nt h i sp a p e r , r e s e a r c ho nr h e o l o g i c a lp e r f o r m a n c e so fc a cw a si m p l e m e n t e db y d y n a m i cm o d u l u sa n dc r e e pe x p e r i m e n t s u n d e rt h e c o n d i t i o n so ft e m p e r a t u r e i o 。c 一6 0 c a n d 仃c q u e n c yo 1 h z - 2 5h z ，t h ed y n a m i cm o d u l u se x p e r i m e n tw a s c a r d e do u tt oo b t a i nt h ed a t aw h i c hw e r eu s e dt om o d e lt h ed y n a m i cm a s t e rc u r v e t h er e s u ki n d i c a t e st h a tt h ea d d i t i o no fc o n d u c t i v ef i l l e r sn o to n l yi m p r o v e st h e p e r f o r m a c eo fr u t t i n gr e s i s t a n c eo fa s p h a l tc o n c r e t ea th i g ht e m p e r a t u r e ，b u ta l s o e n h a n c e st h ep e r f o r m a n c eo fd e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ew h i l ec a u s i n gf l e x i b l em o d u l u s d e c r e a s ea n dc r i s p d a m a g ea tl o wt e m p e r a t u r e f r o ms h i f t f a c t o r sf o rd y n a m i c m o d u l u sm a s t e r sc u r v e ，t h ea d d i t i o no fc o n d u c t i v ef i l l e r si m p r o v e ss e n s i b i l i t yt o t e m p e r a t u r ef o ra s p h a l tc o n c r e t e t h ec o m p a r i s o nw e r ec a r r i e do u tb e t w e e ns i n g l ea x i a ls t a t i c c r e e pt e s ta n d r u t t i n gt e s t a n dt h er e s u l ts h o w st h a tb u r g e r sm o d e lc a ni n t e r p r e tv i s c o e l a s t i c b e h a v i o ro fa s p h a l tc o n c r e t ed u r i n gl o a d i n gp h a s ea c c u r a t e l y , a f t e rt h ec o n d u c t i v e f i l l e r sa r ea d d e d , t h ep a r a m e t e r s 厶，乜，7 7 2o fb u r g e r sm o d e la r ei n c r e a s e d n i 武汉理工大学硕士学位论文 s i g n i f i c a n t l yw h i l e 。l i sn o te f f e c t e d ；t h ep e r f o r m a n c eo fr u t t i n gr e s i s t a n c ei s i n c r e a s e db yt h ea d d i t i o no fc o n d u c f i v ef i l l e r s r e s e a r c h0 1 1t h ef a t i g u eo fc a ci sc o n d u c t e db yf o u r - p o i n tb e n d i n gf a t i g u et e s t b a s e do nt h et h r e ee x s i s t i n gf a t i g u em o d e l s ：s t r a i n - d e p e n d e n tf a t i g u em o d e l ，s t r a i n a n di n i t i a lm i xs t i f f n e s s - d e p e n d e n t f a t i g u em o d e l ，d i s s i p a t e de n e r g y d e p e n d e n t f a t i g u em o d e l ，t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tc o n c r e t ec a nb er e s e a r c h e db yt h e t h r e ef a t i g u em o d e l sp a r a m e t e r sw h i c ha r em o d e l e db yn o n l i n e a rl e a s ts q u a r em e t h o d a c c o r d i n gt os t r a i n - d e p e n d e n tf a t i g u em o d e l ，t h ec a cf a t i g u el i f ei ss h o r t e rt h a nt h e c o n t r o ld u et ot h ea d d i t i o no fc o n d u c t i v ef i l l e r s a c c o r d i n gt os t r a i na n di n i t i a lm i x s t i f f n e s s - d e p e n d e n tf a t i g u em o d e l ，t h ef a t i g u el i v e sd e c r e a s e 嘶mi n c r e a s i n gs t r a i n l e v e l sa n di n i t i a lm i xs t i f f n e s s ；a tl o wt e m p e r a t t t r e ( 5 c ) ，t h ef a t i g u el i f eo fc a c d e c r e a s e sm o r er a p i d l y 晰t hi n c r e a s i n gi n i t i a lm i xs t i f f n e s st h a nt h ec o n t r o l ，h o w e v e r , a tm i d d l et e m p e r a t u r e ( 15 。c ) ，t h ec h a n g eo ft h ec a cf a t i g u el i f ei st h eo p p o s i t e ； a c c o r d i n gt od i s s i p a t e de n e r g y d e p e n d e n tf a t i g u em o d e l ，t h ea d d i t i o no fc o n d u c t i v e m a k e st h ee n e r g yo fa s p h a l tc o n c r e t ed i s s i p a t em o r er a p i d l ya tl o wo rm i d d l e t e m p e r a t u r e ，t h e i n c r e a s e d d i s s i p a t e de n e r g y i sn o t h e l p t o i m p r o v ef a t i g u e p e r f o r m a c eo fa s p h a l tc o n c r e t e k e yw o r d s ：c o n d u c t i v ef i l l e r s ，a s p h a l tc o n c r e t e ，d y n a m i cm o d u l u s ，c r e e p ，f a t i g u e i v 武汉理工大学硕士学位论文 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i i l ；i录、r 第1 章绪论。 1 1 传导型沥青混凝土的研究背景1 1 2 传导型沥青混凝土的国内外研究现状1 1 2 1 传导沥青混凝土的研究现状2 1 2 2 沥青混凝土的破坏形式3 1 2 3 沥青混凝土力学性能试验方法研究现状5 1 3 课题研究的意义6 1 4 本课题研究内容。7 第2 章原材料与试验方法 2 1 原材料9 2 1 1 沥青9 2 1 2 集料及矿粉1 0 2 1 3 传导相材料1 1 2 2 试验方法13 2 2 1 试验级配1 3 2 2 2 传导相掺量1 4 2 2 3 沥青用量确定l5 2 2 4 试件制备方式1 7 2 2 5 沥青混合料基本性能试验18 2 2 6 流变特性试验方法18 2 2 7 疲劳试验方法2 3 第3 章传导型沥青混凝土的动态模量研究 2 4 3 1 试验概述2 4 v 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 用于分析动态模量的基本理论2 5 3 2 1 动态模量与轴向应力间的关系2 5 3 2 2 动态模量与静态模量、强度之间的关系2 5 3 2 3 动态模量主曲线模型2 6 3 3 试验结果分析2 6 3 3 1 单轴压缩实验2 6 3 3 2 动态模量和相位角的频率敏感性和温度敏感性2 7 3 3 3 传导型沥青混凝土的动态模量与相位角2 9 3 3 4 传导型沥青混凝土动态模量主曲线3 0 3 4 本章小结3 3 第4 章传导型沥青混凝土的粘弹特性研究 4 1 试验步骤3 4 4 2 用于分析高温粘弹性的基本理论3 5 4 3 试验结果分析3 6 4 3 1 单轴静态蠕变试验结果分析3 6 4 3 2 传导型沥青混凝土流变模型分析3 7 4 3 3 高温车辙试验结果分析3 8 4 4 本章小结3 9 第5 章传导型沥青混凝土的疲劳特性研究 5 1 试验概述4 0 5 2 疲劳模型介绍4 2 5 2 1 传统的疲劳力学响应模型4 3 5 2 2 耗散能疲劳模型4 5 5 2 3 断裂力学模型4 6 5 3 传导型沥青混凝土疲劳特性分析。4 6 5 3 1 梁式四点弯曲疲劳实验分析4 6 5 3 2 蠕变与疲劳的关系5 l 5 4 本章小结5 2 第6 章结论及建议 v 1 武汉理工大学硕士学位论文 6 1 主要结论5 3 6 2 进一步研究建议5 4 参考文献。 致谢 附录 v l i 5 5 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 传导型沥青混凝土的研究背景 2 0 0 8 年初，中国南方发生罕见的雪灾，上海虹桥国际机场及浦东国际机场 关闭，春运受阻。长江流域多城市机场因积雪被迫关闭，大量航班取消、延误。 京珠高速公路( 贯通中国南北的大动脉) 湖南段因路面积雪、结冰而封闭，数 万车辆滞留在湖南路段。在浙江，杭徽高速公路因大雪结冰全线关闭。在安徽 境内，合巢芜高速、合铜黄高速，合宁高速、合安高速、合徐高速、宣广高速、 合界高速因路面结冰，路段拥堵严重。虽然雪灾天气不是很常见，但是冬天的 雨雪冰冻天气，势必会影响机场和高速公路的运营，同时也会影响了人们的出 行安全。 随着道路工程的发展，公路交通给人们带来了极大的便利，但与之同时发 生的是交通事故率呈现增长趋势，例如仅2 0 1 0 年上半年全国共发生道路交通事 故9 9 万起，造成2 7 万人死亡、1 1 7 万人受伤，直接财产损失4 1 亿元，这表 明我国道路行驶安全性还需进一步提高，而道路材料特别是路面材料对于路面 的抗滑功能有至关重要的影响，调查表明因雨雪天气路面抗滑能力的不足而造 成的交通安全事故占到总交通事故的1 3 ，而目前对道路上的雨雪冰冻情况也缺 乏有效、可靠的技术解决方法。当前沥青路面融雪除冰技术是国际上一大研究 热点，此项技术对于隧道入口、陡坡等地的冬季防滑提供了重要的技术手段， 已引起国内外领域的关注和探索研究及应用。 冬季道路上的积雪与冰冻是安全行车的重大隐患，道路、桥梁、机场除雪 化冰是亟待解决的现实问题【。人工或者机械的消除方法，成本高，而且除雪不 彻底，易造成安全隐患。撒盐融化法会给路面结构和环境带来了许多负面效应， 并且会损害路面的使用寿命。加热融化法是利用热源如电热远红外辐射、天然 气、蒸汽、电热、地热等进行融雪，其成本较高，使用范围受到限制。 1 2 传导型沥青混凝土的国内外研究现状 对于传导型沥青混凝土，国内外做过了许多研究，主要集中在以下几点： 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 传导沥青混凝土的研究现状 传导型沥青混凝土是指向传统的沥青混凝土中掺入传导相填料使其具有导 电、导热性能的沥青混凝土，是一种改变路面原有电热效应的功能性沥青混凝 土。这里所指的传导相材料是指石墨、钢纤维和碳纤维，它们除了具有优良的 导电性能外，还具有很好的导热性能，所以对于添加了石墨、钢纤维和碳纤维 的沥青混凝土的研究，如果研究重点在电学性能上，可以称之为导电沥青混凝 土，如果研究重点在热学性能上，则可称之为导热沥青混凝土p - 3 】，本文为了研 究其力学性能，所以将其统称为传导沥青混凝土。 当前传导型混凝土的应用主要集中于导电水泥混凝土上，对于沥青混凝土 则涉猎不多。随着沥青混凝土日益被重视，传导型沥青混凝土的研究意义十分 重大。 传导沥青混凝土的研究就要晚于传导水泥混凝土，1 9 6 8 年，石墨改性沥青 首次由美国联邦航空局与超级石墨公司共同研制，其目的是通过掺入导电相一 石墨，提高沥青混合料的导电性能，用于机场道面的除雪化冰，但没有达到预 期的效果【1 1 。1 9 9 0 年，超级石墨公司又重新资助该项目的研究，新泽西等几个 州打算在高速公路和机场上应用该技术【4 】。1 9 9 7 年，国外的几家公司( o o m s n e d e r l a n dh o l d i n g ，w t hv l o e r v e r w a r m i n g 和t i p s p i t ) 意识到了利用沥青路面上的 高温来收集太阳能，他们称这种方法为道路能量系统( r o a de n e r g ys y s t e m ) 【5 j ： 沥青路面上铺筑有循环管道，在夏季，将管道中充入冷水，通过路面和管道的 传导作用用冷水来收集路面上的热量。如图1 1 所示。 图1 - 1 道路能量系统( r o a de n e r g ys y s t e m ) 2 0 0 7 年，比利时在z o e r l e p a r w i j s 城市安装了5 0 0 m 2 的沥青混凝土路面作为 收集太阳能的装置【6 1 。2 0 0 8 年，美国伍斯特工学院c h e nb a o 1 i a n g 等人在2 0 0 8 2 武汉理工大学硕士学位论文 年沥青铺装层应用技术学会和瑞士2 0 0 8 年的沥青铺装层和环境论坛上发表了关 于传导沥青混凝土的文章【7 ，引，对沥青混凝土太阳能集热板进行了讨论研究。 目前，国内在传导型沥青混凝土方面的研究比较少，从2 0 0 2 年至今，武汉 理工大学吴少鹏等就传导沥青混凝土进行了一系列卓有成效的研究。其中主要 有：导电、导热沥青混凝土的制备及其导电、导热性能和基本路用性能的研究【l ， 2 1 ，导电沥青混凝土的机敏特性和自诊断应用研究【9 1 ，掺入钢渣、石墨和碳纤维 的多相复合导电沥青混凝土性能研究【l o 】，传导沥青路面的太阳能集热性能及其 粘弹响应研究等方面【3 ，1 1 】。研究表明：( 1 ) 石墨和碳纤维的掺入可有效改善沥青 混凝土的导电导热性能，但是这些传导相材料由于受到其自身物理结构与化学 性能的影响，其在沥青混凝土中的掺量也受到了制约。( 2 ) 沥青混凝土中掺入 导电相填料的掺入，可以使导电沥青混凝土兼具有良好的路用性能和导电性能。 根据间接拉伸试验和四点弯曲小梁疲劳试验可知导电沥青混凝土具有良好的机 敏特性和自诊断能力。( 3 ) 以钢渣、石墨和碳纤维三相复合制备出多相复合导 电沥青混凝土，试验测得其电导率显著升高，根据相关试验，通过石墨改性的 沥青，其高温稳定性优于普通沥青，而对于多相复合导电沥青混凝土，其水稳 定性却不及常规沥青混凝土，但均达到了规范要求，其抵抗永久变形的能力( 车 辙) 优于常规沥青混凝土。( 4 ) 导热沥青混凝土水稳定性降低，而高温稳定性 得到了提高，导热系数提高了2 8 9 ，对利用沥青路面回收太阳能作了探讨分析， 考虑在混凝土中埋设管道回收能量，并通过拟合得到了合理的埋管深度及埋管 间距，并对传导型沥青路面在动态行车荷载作用下的粘弹性响应特性进行了分 析，确定了其设计疲劳寿命。为了提高传导型沥青路面的导热效果，最近大连 理工大学吴智敏【1 2 】等将碳纤维发热丝植入( c f h w ) 沥青混凝土中并验证了其 可行性。 参考国内外对于传导沥青混凝土的研究现状，也考虑到当今社会对于低碳 环保的要求，以公路融雪化冰方式来保障公路交通安全、有效利用太阳能是一 种势在必行的趋势，目前对于这种沥青混凝土的设计需要同时兼顾其传导性能 与力学性能的要求。 1 2 2 沥青混凝土的破坏形式 1 2 2 1 沥青混凝土常见的破坏形式 沥青混凝土路面具有无接缝、表面平整性好、行车和飞机滑行平稳舒适、 武汉理工大学硕士学位论文 对车辆和飞机震动影响小等优点，而且施工机械化程度高、进度快、质量好、 维护简单【l 】，因此，沥青混凝土的应用越来越广泛。沥青路面的路用性能要求路 面必须具有一定的强度、刚度、平整度，同时需要具有较好的高温稳定性和低 温抗裂性，另外沥青路面的表面层必须具备良好的抗滑性能、耐磨性能和抵抗 破坏的能力。 但是，随着现在高速公路上的车辆越来越多，并且路面上的荷载也越来越 大，沥青路面在其服役期间不免会出现各种问题。沥青混凝土路面的破损形式 主要可分为三大类：裂缝、变形、松散。 裂缝是沥青路面早期破坏的一种常见病害，也是路面最主要的破损形式之 一。主要有横向、纵向和网状裂缝【l3 1 。按照裂缝产生的原因，裂缝主要分为荷 载型和非荷载型裂缝。荷载型裂缝是由于反复的荷载作用，致使沥青面层疲劳 而产生裂缝。非荷载型裂缝产生的原因比较复杂，一般来说，其表现主要是温 缩裂缝和由于半刚性基层开裂引起的反射性裂缝。本文主要研究的是由疲劳导 致的荷载型裂缝。 而沥青路面的变形是指沥青混凝土受到外在荷载作用后，立即发生瞬时弹 性变形，在荷载的持续作用下，又产生一定的粘弹性变形，同时还伴随有粘性流 动变形；卸载后，沥青混合料将发生瞬间弹性恢复，并且随着时间的推移，粘 弹性变形部分得到恢复，而粘性流动变形却不能恢复而成为“永久变形【l 4 。， 也就是沥青路面上出现的“车辙”现象。 沥青路面出现的松散破坏主要是由水损害导致的，沥青路面在水的作用下， 沥青与集料间的粘结力遭到破坏，从而造成沥青的剥落，经过车辆的作用，沥 青面层呈现出松散状态，导致集料脱落进而形成路面坑槽。 1 2 2 2 传导沥青混凝土的常见问题 本文讨论的是关于传导型沥青混凝土力学方面的内容( 流变特性与疲劳性 能) ，所以对于其电学与热学问题就不在此讨论了。作为沥青混凝土的一种，传 导型沥青混凝土也会存在着上节中提到的各种破坏形式，而这些破坏形式也会 影响到其力学性能和路用性能，进而影响其使用寿命。 传导相填料，如石墨和碳纤维，当它们被掺入沥青混凝土后，由于其自身 的结构和物理性能，势必会影响到沥青混凝土的力学性能。由于疲劳裂缝的产 生是因为沥青与集料间的粘结面遭到破坏而逐渐发展造成的【1 4 j 。而根据国外研 4 武汉理工大学硕士学位论文 究得出的结果表明，沥青混凝土的高温抗车辙能力有6 0 是依赖矿料间的嵌挤 作用，只有4 0 是依赖沥青结合料的粘结性【1 3 】，所以可以说沥青路面的车辙主 要是因为集料问没有良好的嵌挤作用致使沥青混凝土的结构被破坏而形成的。 石墨质滑，应用在沥青混凝土中会破坏集料间的嵌挤作用，影响到沥青混凝土 的抗变形能力；另外，石墨粒径小并且具有很强的吸油能力，结构沥青的减少 会降低沥青膜的厚度，影响到沥青与集料间的粘结力，进而容易产生疲劳裂缝， 造成疲劳破坏。碳纤维是纤维状的碳材料，具有很高的强度，如果其应用于路 面，能在沥青混凝土中起到加筋增强作用，提高很混凝土抗变形能力和抗疲劳 能力。 1 2 3 沥青混凝土力学性能试验方法研究现状 1 2 3 1 沥青混凝土流变性能研究 流变学是指从应力、应变、温度和时间等方面来研究物质变形和流动的物 理力学，其研究内容包括各种材料的蠕变和应力松弛的现象、屈服值以及材料 的流变模型和本构方程【1 引。 沥青混合料是一种简单的热流变材料，具有粘弹性，其应力一应变力学响 应特性依赖于试验温度和试验加载条件。沥青混凝土粘弹特性的研究始于2 0 世 纪6 0 年代，此后，各国道路研究学者对也在这方面作了大量的研究，并且一般 采用的是蠕变和松弛等静态试验方法，随着现代科学技术的不断进步，动态试 验方法也开始逐渐应用于沥青混凝土动态模量、延迟相位角和耗散能等粘弹性 动态参数【1 6 1 。j a l a lv a k i l i 研究了沥青混凝土在拉伸状态下的蠕变行为，并比较 了蠕变在拉伸和压缩状态下相似性与区别【17 1 。p a r ks u nw o o 利用已有的粘弹性 连续破坏模型，在非轴向荷载的作用下进行试验，得到了沥青混凝土的相关模 型参量【1 8 1 。t a s h m a n 等在对沥青混凝土的微结构研究的基础上，得到了一种用 于反映沥青混凝土在高温条件下永久变形的粘弹性连续模型，其目的是为了更 好地预测沥青混凝土的永久变形【1 9 1 。k i mh y u n w o o k 等利用一种单边平衡梁测 试研究了沥青混凝土的微观破坏模型并对试验过程中的耗散能做了分析【2 u j 。 国内吴少鹏等对传导型沥青混凝土的动态响应特性作了分析研究，得出其 动态模量随着石墨参量的增加而减少【2 1 1 ，传导型填料的掺入可以提高沥青混凝 土的力学性能【2 2 1 ，并利用间接拉伸强度试验研究了传导沥青混凝土的破坏模量 2 3 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 2 沥青混凝土疲劳性能研究 疲劳开裂一直以来都是沥青路面最主要的破坏形式之一，所以沥青路面的 疲劳性能一直受到世界范围内的研究学者的关注。目前对于沥青混凝土疲劳性 能的研究除了建立各种相关的疲劳寿命预测模型外，不少研究人员将断裂力学 理论、损伤力学理论及耗散能理论应用于沥青混凝土以探索其疲劳破坏机理。 1 9 5 3 年l w n i j b o e r 和v a nd e rp o l e 首次指出【1 3 1 ，在沥青路面后期出现的裂 缝可能与行车过程中车辆对路面产生的弯曲应力以及路面材料的抗弯强度有 关，所以将疲劳现象应用于考虑路面的重复荷载是可能的。1 9 5 5 年h v e e m 建立 了不同轴载作用下路表弯沉与沥青路面疲劳寿命的关系，强调了路面裂缝是疲 劳的结果，自此现象学法成为了分析沥青混凝土疲劳性能的主要方法【2 4 1 。 e m o a v e r z a d e h 首先将断裂力学理论应用于沥青混凝土以研究其强度，并得 出结论：在低温条件下，沥青混凝土容易发生脆性破坏1 1 引。h e u k e l o m 2 5 j 将能耗 理论应用于分析研究沥青路面的疲劳现象并认为这一方法是可行的。 美国加利福尼亚大学的m o n i s m i t h t 2 6 】教授应用能量法来研究沥青混凝土的 疲劳特性，在最小破裂强度和劲度下( 在特定的加载温度和加载时间) ，设计沥 青混合料的疲劳响应或许是合理可行的。 此外，美国俄亥俄州大学提出了用力学近似法来分析沥青混凝土的疲劳寿 命，即使用断裂力学理论来研究沥青路面疲劳裂缝的扩展规律以分析路面的疲 劳寿命，分析认为疲劳寿命是因为裂缝的扩展积累而导致最终沥青混凝土的破 坏。 国内沥青路面疲劳特性研究开始于1 9 7 2 年，1 9 9 5 年，郑健龙在对沥青混凝 土的进行了大量的试验研究和分析后得 2 7 , 2 s 】，可以采用b u r g e r s 模型分析沥青 混合料的疲劳特性，并认为模型中的粘弹性参数对沥青混凝土的累积耗散能有 直接的影响，并计算得到整个疲劳过程中的耗散能密度及其变化。吴少鹏等对 传导型沥青混凝土的疲劳特性作了分析研究，得出传导型沥青混凝土的抗疲劳 性能会随着碳纤维掺量的增加而增加，其水稳定性与疲劳寿命会随着石墨的增 加而降低，这是因为石墨具有很强的润滑作用，会破坏沥青混凝土的结构 2 1 , 2 9 。 1 3 课题研究的意义 随着现代科学技术的不断进步，高等级公路沥青路面越来越向多功能化、 6 武汉理工大学硕士学位论文 智能化发展。尽管功能型沥青基复合材料已被研究开发多年，但是还未被广泛 的工程应用，主要问题在于功能型材料在满足特殊功用的同时，其路用性能有 不同程度的降低。今后随着新型沥青基复合材料广泛应用于路面施工，其流变 性能和疲劳性能将直接影响沥青路面的行车舒适性和使用寿命，如果在路面修 好后的短时间内其出现较大面积的早期破坏，使得路面不得不进行经常性的维 修，那么其使用寿命将远远小于设计年限，这将严重影响道路的正常服役年限， 破坏道路的正常使用，同时也会频繁出现维修而导致交通拥堵，由此带来了巨 大的经济和社会问题【3 0 1 。因此，无论从施工建设还是从经济角度考虑，作为一 种功能型沥青基复合材料的传导型沥青混凝土应具备良好的抗疲劳和抗永久变 形特性，以保证路面的正常使用，通常传导型沥青混凝土的设计是以满足其最 佳电学性能来设计的，可能会忽略传导型沥青混凝土力学性能，而目前对于传 导型沥青路面设计所必需的疲劳性能和车辙性能至今仍缺乏系统深入的研究， 因此开展关于这方面的研究就显得尤为重要。 目前国内外研究学者对传导型沥青混凝土做了上述多方面的研究，取得了 许多研究成果；另外，传导型沥青混凝土的流变特性与疲劳性能也有一些研究， 但仍有一些问题有待解决： 1 传导型沥青混凝土高温状态下的变形特点。 2 建立多参数的疲劳寿命方程，以解决单因素方程的不足，更好解释传导型 沥青混凝土的疲劳破坏行为。 1 4 本课题研究内容 本论文拟以流变理论及疲劳理论来分析传导型沥青路面的力学性能，并建 立相关的模型来知道实验的进行及路面的施工。运用流变学理论对传导型沥青 混合料的粘弹性能进行分析，建立相关的疲劳方程，以预测传导型沥青路面的 疲劳寿命；利用高温车辙实验，测试沥青混凝土的动稳定度进而预测其高温抗 车辙能力。主要实验内容如下： 1 ) 选取合适的原材料，确定符合工程规定的级配范围，并确定试验油石比， 为流变和疲劳性能的研究打下基础。 2 ) 传导型沥青路面流变性能的研究。测试沥青混合料的动态模量，分析温 度和荷载作用频率对其动态流变性能的影响，运用流变学理论对沥青混凝土的 粘弹性能进行分析，建立相应的流变模型，并用其分析传导型沥青混凝土的力 7 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章原材料与试验方法 沥青混合料是指在一定的温度条件下由集料、沥青、矿粉拌和均匀的松散 混合料，在压实成型后则为沥青混凝土。与普通沥青混凝土相比，传导沥青混 凝土除了添加集料、沥青、矿粉外，还需加入传导相材料，如石墨、炭黑、碳 纤维等，以提高沥青混凝土的传导性能。 2 1 原材料 2 1 1 沥青 沥青是经过原油提炼出来的，是一种典型的粘弹性材料，在常温下沥青表 现为复杂的粘弹性性质 1 3 】。沥青是构成沥青混合料粘弹特性的重要组成部分， 沥青与集料间的粘结强度对沥青混凝土的力学性能以至于路面的使用质量和耐 久性有着很大影响。对高速公路、一级公路，夏季温度高、高温持续时间长、 重载交通、山区及丘陵区上坡路段、服务区、停车场等行车速度慢的路段，尤 其是汽车荷载剪应力大的层次，宜采用稠度大、6 0 ( 2 粘度大的沥青，也可提高 高温气候分区的温度水平选用沥青等级；对冬季寒冷的地区或交通量小的公路、 旅游公路宜选用稠度小、低温延度大的沥青；对温度日温差、年温差大的地区 宜注意选用针入度指数大的沥青，当高温要求与低温要求发生矛盾时应优先考 虑满足高温性能的要求【3 。但是本文所研究的传导型沥青混凝土主要是为了满 足路面除雪化冰的要求，所以其对低温性能的要求更高，即要求低温延度更大。 我国西北和东北地区可选择改性i c 级，i b 级沥青，适用于非常寒冷的地区， 因为i d 级很少使用【3 。本文所用沥青为辽宁盘锦s b s 改性( p g 7 0 2 8 ) i - c 级 改性沥青。其基本指标和指标要求如表2 1 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 辽宁盘锦s b s 改性沥青检测结果 由表2 1 可知，所用的改性i c 级沥青各指标均满足规范要求，对于其三大 指标，针入度7 2 ( o 1 m m ) ，软化点9 4 9 c ，延度4 8 6 c m ，说明其延展性在i c 级沥青中超过平均水平，粘度1 9p a s ，比较适中，经过老化后，沥青低温延度 为2 2 9 c m ，残留针入度比为6 7 5 ，都在规范要求范围之内。 2 1 2 集料及矿粉 在沥青混合料中，粗集料是指粒径大于2 3 6 m m 的碎石；细集料是指粒径小 于2 3 6 m m 的天然砂，a r 石, y , ke 屑 3 2 1 。本文所用粗集料( 9 5 1 6 m m ) 、 ( 4 7 5 - 9 5 r a m ) 、细集料( 2 3 6 4 7 5 m m ) 、( 0 - 2 3 6 r a m ) 均为湖北京山生产的玄武岩， 矿粉为石灰岩矿粉。集料性能实验按文献相关规程【3 2 】进行，集料与矿粉的指标 要求和具体性能指标如表2 2 、表2 3 和表2 4 所示。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 视密度( g c m 3 ) 含水量( ) 粒度范围( ) 外观 亲水系数 0 6 m m 0 1