（道路与铁道工程专业论文）沥青玛蹄脂粘弹性特性的DSR试验研究.pdf

郑州大学硕士学位论文摘要 摘要 胶浆理论认为，沥青吸附在矿粉及部分细集料表面后，形成沥青玛蹄脂，然后 才与其它粗、细集料产生吸附和粘结作用，形成具有一定强度和变形能力的沥青混 合料，因此，沥青玛蹄脂的性能在很大程度上影响着沥青混合料的路用性能。因此， 沥青玛蹄脂是影响混合料性能的关键因素。对沥青玛蹄脂的性能进行研究就显得尤 为重要。 然而，在工程实践中经常会出现由于玛蹄脂原因而产生的问题，甚至在沥青和 矿粉都符合规范要求时，混合料的性能却不尽如人意。 以往研究沥青路面材料的思路是，分别对沥青和沥青混合料进行约束，同时对 沥青混合料的体积特性和力学特性以及路用性能进行考察，以满足沥青路面的要求。 目前对于沥青的研究已经形成了一整套评价体系，包括经验性的评价指标以及美国 s h r p 计划形成的s u p e r p a v e _ p g 沥青结合料评价体系等等。沥青玛蹄脂是一种粘弹性 材料，基于流变学原理对其进行的特性研究还比较少，而由于其对沥青混合料及其 他材料的特性影响，对沥青玛蹄脂的性能研究具有很重要的意义。沥青玛蹄脂的性 能会直接关系到沥青混合料的性能，虽然目前国内外许多科研机构对沥青玛蹄脂的 力学性能进行了一些研究，但不够系统化，并且对沥青玛蹄脂的微观机理探讨深度 不够，所以关于沥青玛蹄脂的研究仍有大量的工作需要进行。 本课题在已有成果基础上，将沥青玛蹄脂作为研究对象，借助于s u p e r p a v e 沥 青研究的相关设备动态剪切流变仪( d s r ) 对试验中工作参数与沥青玛蹄脂流变参 数的变化规律进行分析；对沥青玛蹄脂的流变特性与温度、沥青玛蹄脂的流变特性 和填料粒径、沥青玛蹄脂的流变特性与填料含量之间的关系进行研究。在此基础上， 根据试验结果来拟合求解沥青玛蹄脂的粘弹性力学模型参数，并研究温度、填料粒 径和填料含量对其的影响。最后进行了沥青玛蹄脂d s r 试验的离散元数值模拟，并 与试验数据进行了比较。 关键词：沥青玛蹄脂粘弹性动态剪切流变仪s r ) b u r g e r s 模型数值模拟 郑州大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a s p h a l tm i x t u r e sa r ep a r t i c u l a t ec o m p o s i t em a t e r i a l sc o n s i s t i n go fu n i f o r m l y d i s t r i b u t e dm i n e r a la g g r e g a t e s ，a s p h a l tb i n d c ra n da i rv o i d s i na s p h a l tm i x t u r e s 。t h e a s p h a l tb i n d e r0 0 5 r i sn o ta sa s p h a l ta l o n e b u ti si n t i m a t e l ym i x e d 耐t l lm i n e r a lf i l l e r s f o m a i n gn 臼t , vm a t e r i a lc a l l e da s p h a l tm a s t i c s t h i sn e wm a t e r i a li sk n o w nt oa f f e c tt h e w o r k a b i l i t yo ft h ea s p h a l tm i xa n d ，t h e r e f o r e ，p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec o m p a c t i o n a n dp e r f o r m a n c eo f a s p h a l tm i x t u r e s t h u s ，a s p h a l tm a s t i c sa t et h ek e yf a c t o re f f e c t i n go n t h e p e r f o r m a n c e o f a s p h a l t m i x t u r e , w h i c h t h er e s e a r c h 0 1 1 i s q u i t e i m p o r t a n t h o w e v e r , t h e r ew e r eo f t e ns o m ep r o b l e m si na c t u a lp 叫c c = t sc a u s e db ya s p h a l t m a s t i c s e s p e c i a l l yw h e na s p h a l ta n da g g r e g a t ea b o t hs a t i s f i e dt h ec r i t e r i o n s , t h e p e r f o r m a n c eo f a s p h a l tm a t u r ei ss t i l ln o tw e l l t h er e s e a r c ho i la s p h a l tp a v i n gm a t e r i a l sb e f o r ew a s s t u d y i n gt h ea s p h a l tb i n d e r sa n d a s p h a l ts e p a r a t e l y , a n dt e s t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fm e c h a n i c sa n di ns e r v i c eu s e t h e s e d a y s ，t h ee v a l u a t i n gs y s t e mh a sf o r m e d ，i n c l u d i n ge m p i r i c a lc o e f f i c i e n t sa n dt h e s u p e r p a v eo fs h r p t h ea s p h a l tm a s t i c sh a v el o n gb e e nk n o w nt oi n f l u e n c et h eo v e r a l l p e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v i n gm i x t u r e s t h eb e h a v i o ro ft h ea s p h a l tm a s t i cb e a r s i n f l u e n c eo n n e a r l ye v e r ya s p e c to fa s p h a l tm i x t u r ed e s i g n , c o n s t r u c t i o n , a n dp e r f o r m a n c e a l t h o u g hc o n s i d e r a b l ew o r kh a sb e e nc o n d u c t e dt ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa s p h a l t m a s t i c s ，t h er e s e a r c h e sw e r en o ts y s t e m a t i z a t i o na n dv e r yl i t t l ew o r kh a sb e e nd o n ei n m i c r o m e c h a n i c a ln u m e r i c a la n a l y s i s t h i ss t u d yi si n t e n d e df o rs t u d y i n gt h er h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fa s p h a l tm a s t i c s t h el a b o r a t o r yt e s t i n go na s p h a l tm a s t i c sh a sp e r f o r m e db yd y n a m i cs h e a rr h c o m e t r y s r ) i no r d e rt oo b s e r v et h er e l a t i o no fr h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sw i t ht e m p e r a t u r e , f i l l e r s s i z ea n dc o n t e n t t h ev i s c o e l a s t i c a lm o d e lp a r a m e t e r so f a s p h a l tm a s t i c sh a v eb e e n e s t i m a t e db a s e do nt h et e s tr e s u l t sa n da n a l y z e d f i n a l l y , t h ed e mh u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f d s r t e s t i n gh a sb e e no p e r a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h ea g q l l a lt e s tr e s u l t s k e yw o r d s ：a s p h a l tm a s t i c s ，v i s c o - e l a s t i c i t y , d y n a m i cs h e a rr h e o m e t r y s r ) ， b u r g e r sm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n - 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 在高等级公路建设中，沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，由于其自身的 优点，如具有足够的力学强度，能够承受车辆通过路面所产生的各种作用力，行车 平稳舒适、无扬尘、震动和噪声小、养护方便、易于回收等，在国内外公路建设中 得到了广泛应用。有关资料表明，美国和日本高速公路中沥青路面达到了9 0 以上， 在我国，已建成的高速公路中有7 5 采用了沥青路面。随着国民经济的不断发展， 道路所承受的交通量、交通荷载及轮胎压力不断增加，由此导致沥青路面的车辙、 开裂、剥落等病害日益严重。如何提高沥青路面的使用性能，以满足交通发展的需 要，这是我国道路工作者所面l 临的重要课题。 沥青路面的使用性能和使用寿命在很大程度上取决于所采用的沥青和沥青混合 料的质量好坏，起粘结作用的沥青材料成了广大道路研究工作者关注的焦点。众所 周知，沥青混合料是由粗集料、细集料、填料和沥青形成的多级空间网状结构的分 散系【”。它是以集料为分散相而分散在沥青玛蹄脂介质中的一种分散系；而玛蹄脂 又是以填料及部分细集料为分散相分散在高稠度沥青介质中的一种微分散系。从某 种意义上来说，沥青玛蹄脂是沥青混合料的一种最重要组成部分；同时，沥青只有 吸附在填料及部分细集料表面形成玛蹄脂才能与集料产生吸附和粘结作用，形成具 有一定强度和抗变形能力的沥青混合料，所以沥青玛蹄脂的性能在很大程度上影响 着沥青混合料的路用性能，采用不同填料和粉胶比的玛蹄脂必将表现出不同的混合 料性能。因此，沥青玛蹄脂是影响混合料性能的关键因素，对沥青玛蹄脂的性能进 行研究就显得尤为重要。 沥青玛蹄脂是指由一部分细集料与沥青、填料以及稳定剂组成的混合物，只由 沥青与填料组成的沥青玛蹄脂也叫做沥青胶浆。随着路面新材料技术的发展，路面 工程中也涌现了一些新型路用材料，比如浇注式沥青混凝土、s m a 等，它们与普通 的密级配沥青混凝土有所不同，是粗集料分散在高含量沥青玛蹄脂中的结构体系， 其路用性能主要取决于沥青胶浆沥青玛蹄脂的性能 6 1 。 然而，由于长期以来人们把填料仅仅当作一种惰性填充物来看待，并没有充分 认识到填料在混凝土结构形成过程中所起的分散作用以及填料表面与沥青同样存在 的界面化学作用等原因，人们往往只重视研究沥青对混凝土性能的影响而忽视了对 沥青玛蹄腊这个二元系统的研究。 在工程实践中经常会出现由于沥青玛蹄脂的原因而产生的问题，甚至在沥青和 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 填料都符合规范要求时，沥青混合料的性能却不尽如人意。当混合料性能不满足要 求时仅考虑改变沥青用量、沥青种类以及填料的级配，而没有考虑其他相关因素的 影响。美国西部环道的研究数据也表明路面的损坏很大程度上取决于玛蹄脂的性能。 所有这些都说明了对沥青玛蹄脂的研究仅限于填料的酸碱性、细度以及粉胶比等是 远远不够的，应该将沥青玛蹄脂作为一种整体，并结合材料本身来进行其路用性能 的研究。 以往研究沥青路面材料的思路是，分别对沥青和填料进行研究，同时研究沥青 混合料的体积特性和力学特性，最终获得路用性能更优的沥青混合料。目前对于沥 青的研究已经形成了一整套评价体系，包括经验性的评价指标以及美国s h r p 计划形 成的s u p e r p a v e 沥青结合料评价体系等等。沥青玛蹄脂是一种粘弹性材料，基于流变 学原理对其进行的特性研究还比较少，而由于其对沥青混合料及其他材料的特性影 响，对沥青玛蹄脂的性能研究具有很重要的意义。本论文通过动态剪切流变仪对沥 青玛蹄脂进行了一系列试验来初步研究其动静态特性。 1 2 国内外研究概况 在评价沥青的技术性能方面，国内外许多研究者已开展了大量研究，形成了一 套能够全面反映沥青技术性能的试验方法和评价指标。在评定指标方面，有高温稳 定性能指标、低温抗裂性能指标、耐老化性能指标、施工及安全指标等；在沥青分 级标准方面，有针入度级标准、粘度级标准和根据路用性能分级标准。除了某些指 标和试验方法略有些差别和个别国家采用了一些特殊的指标外，各国制定的标准基 本上没有太大的差别【3 l 。世界各国在沥青的研究方面己做了较多工作，沥青的技术 性能评价的研究成果趋向成熟和完善，日臻标准化。 在填料技术性能的试验方法和评价评价指标方面，国内外的评价指标差异较大， 但主要的细度指标是近似相同的，如表观密度、含水量、粒径范围、亲水系数等 7 1 。 近几年，s m a 路面以其优良的性能引起了世界各国人们的广泛兴趣，在较短的 时间内得到了大面积的推广应用。由于s m a 良好的低温抗裂性和耐久性主要取决 于沥青胶浆一沥青玛蹄脂的特性，促使道路研究者对沥青玛蹄脂的性能重视起来， 并展开了初步研究，所以这些研究也仅仅是近几年随着s m a 的广泛应用才开始兴 起的，到目前为止，对沥青玛蹄脂性能的研究还处于起步阶段。 1 2 1 国外研究概况 ( 1 ) 对于沥青玛蹄脂试验方法的研究 美国国家沥青技术中心( n c a t ) 的e r a yb r o w n 等人( 1 9 9 6 ) 对s m a 的沥青 玛蹄脂做了详细的研究。他将细集料( 0 0 7 5 m m - 2 3 6 m m ) 、填料、沥青和纤维组成 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 的混合料称为粗玛蹄脂( t o t a lm o r t a r ) ，而没有细集料只有填料、沥青和纤维组成 的混合料称为细玛蹄脂( f i n em o r t a r ) 。对粗玛蹄脂进行了弯曲梁流变试验( b b r ) 、 回弹模量试验( r e s i l i e n tm o d i l l l l s ) ，间接拉伸试验( d t ) 、布氏旋转粘度试验 ( b r o o k f i e l dv i s c o m c t 盯) 。对细玛蹄脂进行了s u p e r p a v e 沥青结合料试验，结果表 明动态剪切流变仪( d s r ) 和弯曲梁流变仪( b b r ) 可用于沥青玛蹄脂的试验研究， 且粗细玛蹄脂的性能具有很好的相关性【8 】【9 】。 在美国的s m a 配合比设计的检验，分为s m a 混合料性能检验和沥青玛蹄脂的 检验两部分。s m a 的沥青玛蹄脂部分，评价方法是按照s h r p 对沥青结合料评价的 方法进行的。根据当地的气候条件，确定所需的性能等级，使玛蹄脂性能的高温、 低温性能指标不低于一定要求，s m a 的低温性能是通过玛蹄脂性能试验评价的，如 表1 - 1 所剥1 0 1 。 表1 - 1 a a s h t o 沥青玛蹄脂技术要求 德国的gh u b e r 通过采用落锤仪测定了锥入沥青玛蹄脂的深度，并根据有关公 式计算出剪切强度，结果表明采用这种方法能很好地区分不同沥青玛蹄脂的性能。 另外，在德国，沥青玛蹄脂的高温性能主要是通过锥落试验来完成的，用抗剪强度 来评价其高温性能的大小，并形成规范【4 】。 ( 2 ) 对沥青玛蹄脂的试验研究 对于沥青玛蹄脂的试验研究主要有两类，一是关于沥青玛蹄脂中的矿物填料对 与沥青玛蹄脂的性能的影响，二是根据a a s h t o 的技术要求研究沥青玛蹄脂的性 能。 a n d e r s o n ( 1 9 9 2 ) 的研究主要集中在沥青玛蹄脂的力学行为上，认为沥青玛蹄 脂主要受到矿物填料粒径大小、荷载作用时间、温度以及沥青和矿物填料之间的化 学反应的影响【1 1 】。e r a yb r o w n ( 1 9 9 6 ) 等人的研究结果表明影响沥青玛蹄脂的主 要成分是填料，填料的粒径大小、材料性质和棱角性对s m a 沥青玛蹄脂都有一定 的影响【8 1 1 9 。 c h e r t ( 1 9 9 6 ) 应用n i s l s c n s 微观力学模型和时温等效原理，根据b b r 及d s r 试验 数据研究了沥青玛蹄脂的劲度模量。研究发现，在短加载时间或低温下填料的加劲 作用较小，而长加载时间或高温下相对较高，因此沥青玛蹄脂的劲度不仅与沥青有 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 关，也与填料有判1 2 1 。后来，c h e r t 与p e n g ( 1 9 9 8 ) 又进行了直接拉伸试验( d d t ) ， 试验中注意到，沥青玛蹄脂拉伸应力与拉伸应变随着填料含量的增加而增大，而抗 拉强度的增加说明沥青与填料之间有着较好的粘附性，但抗拉强度随填料粒径的增 加而减小【1 3 1 。 g u b l e r 与a n d e r s o n ( 1 9 9 9 ) 研究了填料对沥青的老化性能影响，研究发现复数 模量g + 和相位角j 会随着加载大小和时间的变化而变化，沥青玛蹄脂的力学性能不 仅与测量时段的状况有关，还受到测量前的试样状况的影响。所以填料会影响结合 料的老化，进而延迟玛蹄脂的老化过程【1 4 1 。 s h e n o y 等( 2 0 0 3 ) 在评价沥青混合料抗永久变形能力时研究了沥青混合料的力 学特性与沥青玛蹄脂的流变特性之间的关系。通过对s u p e r p a v e 剪切试验( s s t ) 、 法国路面车辙试验( f r t ) 和h a m b u r g 车辙试验( w t d ) 得到的结果比较，由动态 剪切流变仪测得的沥青玛蹄脂的g * s i n 6 与混合料的性能( 车辙深度与累积剪切应 变) 相关性较高。但是结果不适用于不同的配比及沥青结合料i 阍。 k i m 等( 2 0 0 3 ) 用石灰石和熟石灰两种填料对沥青玛蹄脂的抗疲劳性能进行了 评价，利用疲劳预估模型、流变组合模型对试验结果进行了分析。研究认为，动态 力学分析可有效的描述基础材料特性与沥青和沥青玛蹄脂的抗疲劳性能，且熟石灰 作为填料比石灰石具有更好的抗疲劳性【1 6 】。 v a c i n 等人( 2 0 0 3 ) 从车辙、疲劳和低温开裂的观测来研究加载时间与温度的影 响，使用动态剪切流变仪( d s r ) 与弯曲梁流变仪( b b r ) 对橡胶改性沥青、沥青 玛蹄脂和沥青混合料分别进行试验，利用时温等效原理来延长加载时间和频率。通 过比较由松弛得到的剪切柔量，o ) 与b b r 试验得到的拉伸蠕变柔量d ( f ) 可以得到， 对于沥青结合料与玛蹄脂二者有类似的相关性，短加载时间( 或低温) 时三者的剪 切柔量近似相同，但在长加载时间下( 或高温) 差别较大v a c i n 还发现b b r 与d s r 的数据有较好的相关性，因此可以通过d s r h 式验数据来预测沥青的低温性斛1 7 1 。 l a 出财( 2 0 0 5 ) 等基于沥青与沥青玛蹄脂的弯曲梁流变仪( b b r ) 试验结果研 究了填料对沥青玛蹄脂低温蠕变的影响，并采用多尺度模型( m u l t i s c a l em o d e l ) 来 预测沥青玛蹄脂低温蠕变特性。研究中将玛蹄脂看作均质材料，计算得到的蠕变参 数与相应的b b r 试验结果相一致，因此他们认为填料的体积百分率对沥青玛蹄脂的 低温蠕变有影响，而填料的几何形状和化学组成没有很大影响【埘。 d u r r a ( 2 0 0 6 ) 通过对沥青结合料和玛蹄脂的流变试验研究预估沥青混合料的特 性参数。他对沥青，沥青玛蹄脂与沥青混合料在不同温度下进行d s r 试验以得到三 者性能的相关性。并通过h i r s e h 模型评价玛蹄脂和混合料的动态模量。结果表明， 试验结果与模型预测有很好的相关性【1 9 1 。 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 b d e ed e l a p o r t e 等人( 2 0 0 7 ) 使用环形剪切流变仪( a s r ) 来研究玛蹄脂的线粘 弹性特性( 小应变情况下) 。研究中考虑了填料的类型、粒径、含量、级配与沥青老 化对复数剪切模量g 的影响。研究发现高填料含量( 堋) 会导致沥青与沥青玛 蹄脂的性能有显著差异，且高温和低频下填料对沥青玛蹄脂的影响较为明显，而填 料的级配对玛蹄脂的粘弹性影响不大【捌。 ( 3 ) 对于描述沥青玛蹄脂的模型研究 b u t t l a r 乘l r o q u e ( 1 9 9 6 ) 评估了各种微观力学模型来预测沥青混合料和沥青玛蹄 脂的粘弹性特性，他们认为：对于沥青混合料由于骨料之间的嵌挤占有主要地位， 因此没有一个合理的模型来预测混合料的性质，但是对于沥青玛蹄脂却能作出很好 的预测，因为玛蹄脂是刚性粒子填充在沥青中，比较好的接近现有的预测模型1 2 1 1 【捌。 之后，b 硼l a r 等人( 1 9 9 9 ) 使用广义自洽模型( g s c s ) 描述了沥青玛蹄脂的动态力 学特性，研究了沥青材料劲度的增长对填充加固、化学构成及颗粒相互作用三个方 面的影响。其中，填充加固在沥青玛蹄脂中比较明显，而颗粒相互作用在沥青混合 料中比较明显【”j 。 c h a n g 与m e e g o d a ( 1 9 9 7 ) 研究了不同温度下沥青混凝土的力学特性与内部结构。 他们使用a s b a l 微观力学模型，通过离散元方法( d e m ) 来模拟h m a 的应力一应 变特性和内部结构的变化。a s b a l 模型中加) k i b u r g e r s 模型来描述沥青的粘弹性特 性，不同温度下的沥青的主曲线用于描述应力一应变特性【硼。 s h a s h i h 缸和r o m e r o ( 1 9 9 8 ) 使用流变模型( n i e l s e n 模型) 研究了沥青玛蹄脂 的动态力学特性在研究填料对玛蹄脂性能的影响时，通过引入两个中间变量最大 充填率纯和广义爱因斯坦系数k 。来考察平均粒径、级配、颗粒形状、凝聚作用、 分散作用、沥青与填料相互作用等对增强作用的影响。填料的凝聚作用和非球形特 性往往会导致增强作用变大圈。 之后，s h a s h i d h a r 等人( 2 0 0 2 ) 使用广义自洽模型( g s c s ) 研究沥青玛蹄脂的 动态力学性能，研究发现沥青玛蹄脂的劲度比只与沥青结合料的泊松比和细集料的 体积百分比有关，且该模型的结果与试验结果有一定的差异，因此对其进行了修正， 修正后的模型预测结果与试验结果有很好的一致性嘲。 k i m 与l i t t l e ( 2 0 0 4 ) 研究了不同微观力学模型和流变模型对描述沥青玛蹄脂动 态力学性能的适用性。弹性一粘弹性原理用于将弹性微观力学模型转换为粘弹性模 型以说明沥青玛蹄脂对时间和温度的依赖性。研究得出，微观力学模型只在填料含 量较低时有较好的适用性，而流变模型可以得到2 5 填料时的劲度模量【玎。 a b b a s ( 2 0 0 5 ) 使用离散元方法研究了沥青玛蹄脂与沥青混合料的微观特性。沥 青玛蹄脂被看作是细骨料分布在沥青胶结料中的混合物，它的应力一应变特性与温 郑州大学硕士学位论文第一章结论 度和加载率有关在研究中，为了描述沥青玛蹄脂的粘弹性特性，选用t b u r g e r s 模 型来模拟，而模型的参数通过目标系数拟合试验数据而得到【2 8 1 【矧。 ( 4 ) 沥青玛蹄脂的数值模拟 s a d d 和d a i 等人( 2 0 0 4 ) 根据连续损伤力学的理论，通过有限元方法来模拟沥青 混凝土的微观损伤力学特性，建立了能够预测沥青材料的整体无弹性特性的微观损 伤模型，并进行了间接拉伸、压缩试验的模拟，模拟结果与试验结果有着较好的一 致性【划【3 l 】但是，有限元方法的问题在于不能描述集料的接触面相互运动和在加载 过程中出现的滑动，而这是导致沥青路面永久变形或车辙的一个重要力学原因。 b u t t l a r 和y o u ( 2 0 0 1 ) 使用离散元方法( d e m ) 模拟了沥青混合料的间接拉伸 试验( i d t ) ，其中单元颗粒间采用线性接触模型，忽略了骨料颗粒间的互锁作用【3 2 1 。 k m 和b u t t l a r ( 2 0 0 5 ) 根据微观离散单元模拟( m d e m ) 方法，通过二维颗粒流 软件( p f c 2 d ) 研究了沥青混凝土断裂试验( f r a c t u r et e s t ) 中的复合开裂特性。 模型通过试验数据进行了校准，但是仍需要试验进一步确定【3 3 】。 c o l l o p 等人( 2 0 0 6 ) 使用离散单元元法( d e m ) 模拟了理想化的沥青混合料的 单轴和三轴压缩蠕变试验，并通过试验数据对数值模拟结果进行了验证【堋。 a b b a s ( 2 0 0 6 ) 通过离散元方法来研究沥青玛蹄脂和沥青混合料在不同加载情况 下的微观力学特性，并通过二维颗粒流程序( p f c 2 d ) 来实现。沥青玛蹄脂的动态 剪切流变试验( d s r ) 、混合料的简单性能试验( s p t ) 和间接拉伸试验( i d t ) 通 过该软件来模拟并与实际试验数据进行了比较【2 8 1 【3 5 】。 1 2 2 国内研究概况 沥青玛蹄脂是沥青混合料的重要组成部分，但是由于试验条件与手段的限制， 我国对沥青玛蹄脂的研究不多，主要是根据s u p e r p a v e 的沥青结合料的试验方法进行 的一些研究。 ( 1 ) 对沥青玛蹄脂的试验方法研究 邹桂莲，张肖宁等人( 2 0 0 4 ) 利用流变学的原理，定量研究矿粉、水泥和纤维 等填料对沥青胶浆高温性能的影响，并通过混合料试验予以验证。混合料试验结果 与沥青胶浆试验结果相关性较好，说明应用流变学的方法可以很好地评价沥青胶浆 的路用性甜3 6 1 。 刘丽等人( 2 0 0 4 ) 对掺有硅藻土的沥青胶浆进行常规试验和s h r p 试验。研究表 明，用针入度和延度试验对硅藻土改性胶浆进行评价是不合适的，而动态剪切流变 仪( d s r ) 可以用于研究沥青胶浆的路用性能和流变特性，弯曲梁流变仪( b b r ) 可以用来评价沥青胶浆的低温性能【3 刀。另外，他们针对常规试验指标评价沥青胶浆 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 性能的不足，自行开发了沥青胶浆锥入度试验和低温弯曲试验，通过研究提出合理 有效的评价标准1 3 s 】。 傅志勇( 2 0 0 5 ) 运用s u p e r p a v e 剪切试验( 恒高度重复剪切试验( r s c h ) 、恒 高度频率扫描试验( f s c h ) ) 从机理上考察了沥青混合料高温剪切流动变形。通过 对比试验和理论分析研究认为马歇尔试验、车辙试验评价沥青混合料高温性能有明 显的局限性，而s u p e r p a v e 剪切试验能够较好地模拟交通条件，反映沥青混合料高 温永久变形过程，是一种比较好的评价沥青混合料试验方法【3 9 1 。 同济大学的吕伟民教授通过类比国内外沥青玛蹄脂有关的技术要求，提出了评 价s m a 沥青玛蹄脂的性能指标和技术要求，4 0 抗剪切强度需大于l o o k p a ，6 0 抗 剪切强度需大于5 k p a 4 1 。 ( 2 ) 对沥青玛蹄脂的试验研究 国内针对沥青玛蹄脂的研究主要集中在矿粉对沥青玛蹄脂特性的影响。邹桂莲， 张肖宁等人( 2 0 0 1 ) 最先利用动态剪切流变仪( d s r ) 研究了沥青胶浆性能以及胶 浆中矿粉和纤维对它的路用性能的影响，研究结果表明矿粉与纤维可以显著提高沥 青胶浆的高温性能，但是，不适当的增加矿粉与纤维用量将损伤沥青胶浆的疲劳性 能 4 0 1 1 4 ”。 卢永贵等人( 2 0 0 4 ) 采用均匀设计方法安排了多水平的试验方案，利用d s r 、 b b r 对沥青玛蹄脂的高、低温流变特性进行了试验研究，结果表明，纤维含量与粉 油比对沥青玛蹄脂的高温性能有强烈的交互作用；增加纤维含量和粉油比对沥青玛 蹄脂的低温抗裂性能不利【6 】。 袁迎捷等人( 2 0 0 4 ) 借助于s u p e r p a v e 沥青研究的相关设备动态剪切流变仪 ( d s r ) 、弯曲梁流变仪( b b r ) 和直接拉伸试验仪( d t r ) 对沥青胶浆在高、低温 和常温下的流变特性进行研究，得到了沥青胶浆流变特性与各试验设备中工作参数、 沥青胶浆的流变特性与温度、沥青胶浆的流变特性与粉胶比之间的变化规律；并对 沥青胶浆作用机理作了初步的探讨，发现采用b u t t l a r 公式和h a s h i n 公式可以表征高 中温和低温条件下的单纯矿粉颗粒体积增强作用，提出了等效体积增强原理预估沥 青胶浆的综合作用【4 2 】。 邵显智、谭忆秋等人( 2 0 0 4 ) 通过对矿粉的几种不同指标以及不同矿粉组成的 沥青胶浆的路用性能的研究得出，不同矿粉以及矿粉的不同指标对它组成的沥青胶 浆路用性能的影响关系。通过研究表明，颗粒细、平均粒径小、矿物组成中粘土类 物质含量少以及比表面积较大的矿粉组成的胶浆具有良好的路用性能，矿粉的差异 显著影响着沥青胶浆的宏观路用性甜4 3 1 。针对沥青胶浆的高低温宏观性能与矿粉几 种不同指标的关联度采用灰色关联分析的方法进行分析，得出这几种不同指标对沥 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 青胶浆影响程度的大小关系：使用车辙因子表征沥青胶浆的高温性能，粘度来表征 低温性能，在矿粉的几种不同指标中，平均粒径对沥青胶浆的路用性能影响最大， 密度其次，随后是o 0 2 r a m 以下的颗粒含量和矿物组成，影响程度最小的是比表面 积m 李智慧、谭忆秋等人( 2 0 0 5 ) 运用灰色关联分析方法及排序一致性原则分别建 立了混合料高低温性能与沥青胶浆高低温性能评价指标之间的关联性。将动态剪切 流变仪( d s r ) 测得的重复蠕变劲度的粘性部分局和应用弯曲梁流变仪( b b r ) 测 得的蠕变劲度模量s 分别作为沥青胶浆高低温性能的评价指标，对不同粉胶比的几 种沥青胶浆进行高低温性能评价。研究发现，沥青胶浆的流变学行为是非线性的， 其服从指数函数模型。简化其模型为双直线模型，并计算规律曲线的拐点粉胶比， 综合考虑平衡沥青胶浆的高低温性能，可以得到各沥青胶浆适合的粉胶比范围及最 佳粉胶比的确定方法。在最佳粉胶比确定的基础上，基于矿粉性能优化沥青混合料 配合比设计方法 4 5 1 1 4 6 1 。 张永满等人( 2 0 0 5 ) 利用简支梁和蠕变原理自制了测定沥青胶浆低温蠕变性能 的仪器，对不同粉胶比( d p ) 和基质沥青的沥青胶浆的高低温性能进行了试验研究。 此外还分析了影响沥青胶浆低温变形的因素，指出在选择合理粉胶比时除了考虑所 用沥青品种、标号以及矿粉外，还应该和沥青胶浆低温性质结合起来【切。而在沥青 混合料设计时提高粉胶比可以显著提高沥青混合料的高温稳定性，降低粉胶比可以 提高沥青混合料的低温抗裂性。因此采用合理的粉胶比则可以保证沥青混合料高温 性能与低温性能的平衡。随着沥青标号的增大，沥青的高低温性能受粉胶比的影响 越大【档】 张争奇等人( 2 0 0 6 ) 按照胶浆理论将沥青胶浆作为沥青混合料构成中的重要部 分，研究了粉胶比和纤维对沥青混合料高低温性能的影响。研究表明，沥青混合料 的性能不仅受沥青用量和填料用量的影响，更重要的是受填料与沥青相对比例的影 响；减少粉胶比，并加入适量纤维，可显著改善沥青混合料的低温柔性的低温松弛 能力，同时也使沥青混合料的高温性能得到较大的提剐4 9 】。 刘丽等人( 2 0 0 6 ) 对沥青胶浆的粘度特性的研究发现，沥青胶浆粘度与剪切速 率、温度、粉胶比和填料种类密切相关，温度低于l1 0 c 时，粘度值对剪切速率比较 敏感，表现为非牛顿流体的特性；温度高于1 3 5 时，其粘度受剪切速率影响变小， 逐渐表现为牛顿流体的特性【删。 ( 3 ) 对沥青材料的模型研究 由于沥青材料的特性，研究中均采用粘弹性模型来描述，沥青材料的粘弹性力 学模型参数主要是根据试验结果来求解的，采用最多的试验就是蠕变试验。 郑，f l 大学硕士学位论文第一章绪论 黎霞与田小革( 2 0 0 0 ) 采用四单元五参数模型，利用诺丁汉仪动蠕变试验结果 反算沥青混凝土的动态粘弹性参数【5 1 1 。周志刚等人( 2 0 0 5 ) 使用动态蠕变试验来确 定沥青混合料的粘弹性模型参数i s 2 1 。封基良( 2 0 0 6 ) 采用b u r g e r s 模型表征沥青的 本构关系，推导沥青材料在b b r 小梁弯曲试验的蠕变规律，并利用d p s 统计软件 进行非线性回归，求解沥青粘弹性参数，分析b b r 试验s h r p 评价方法的本质，通 过试验实例分析，并将粘弹性参数用于预测相同温度下直接拉伸试验的应力变化特 性【5 3 1 。张熙颖等人( 2 0 0 5 ) 也采用弯曲蠕变试验求解b u r g e r s 模型参剡3 。 另外，还有部分研究采用直接拉伸试验来求解粘弹性模型参数。周志刚、郑健 龙等人( 2 0 0 1 ) 根据直接拉伸( 一次拉断) 试验，由应力条件下的应变响应，采用 非线性最小二乘法求解沥青混合料b u r g c r s 模型参数嗍。钟志海根据直接拉伸试验的 结果通过最小二乘法来拟合求解b u r g 哪模型【5 q 。封基良等人采用b u r g e r s 模型模拟直 接拉伸试验测定沥青粘结料的粘弹性特性，提出确定粘弹性参数的非线性模型，并 利用大型统计软件s p s s 求解粘弹性参数【5 刀。 还有部分研究采用了其他的沥青材料试验来求解粘弹性模型参数。 郑健龙( 1 9 9 5 ) 在对沥青混合料的研究中采用t b u r g e r s 模型作为粘弹性本构模 型，提出了一种根据动态试验结果确定b u r g e r s 参数的方法。研究发现，并联参数与 试验频率及温度相关，串联参数则仅取决于试验频率的极限特性【5 耵。 刘福明等人( 2 0 0 2 ) 根据滑板粘度计试验中应变随时间变化的数据采用最小二 乘法求得b u r g e r s 模型的参数，从而对沥青材料的试验数据进行分析处理【5 9 1 。 郑健龙等人( 2 0 0 4 ) 选用广义m a x w d l 模型研究沥青混合料的粘弹性特性，根据 应力松弛试验，应用o r i 西n 软件拟合求解了广义m a x w e l l 模型的参数唧】【6 。 李军强，刘宏昭分析了用曲线拟合估计粘弹性材料线性本构方程模型参数的原 理和方法。根据粘弹性材料储能模量和损耗因子在频域的实测数据，根据不同的本 构方程模型构造出不同的加权优化目标函数，进行非线性优化，拟合出本构方程模 型中的参数【6 2 】。 ( 4 ) 沥青玛蹄脂的数值模拟 李晓军等人( 2 0 0 4 ) 根据断裂力学原理，采用有限元方法，模拟计算沥青混合 料的小梁疲劳试验。结果表明，这种方法的计算结果可以与实际试验结果取得较好 的一致性【6 3 】；并且模拟研究了沥青混合料劈裂试验过程中空隙分布、加载方向以及 集料与胶浆模量比等指标的变化对沥青混合料内部微观力学特性的影响，发现沥青 混合料中空隙与集料颗料的分布对最大拉应力分布有很大影响，集料与胶浆模量比 的变化则只影响最大拉应力值的大小而不影响其出现的位置【“鲫。 李芬等人( 2 0 0 6 ) 利用细观力学及断裂力学方法建立了沥青混凝土的细观模型， 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 运用有限元程序对试件的宏观裂纹形成这一复杂过程进行了模拟。结果表明，该模 型能有效模拟材料的损伤演化过程惭l 。 陆阳等人( 2 0 0 6 ) 针对沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) 特有的骨架结构特点， 采用蒙特卡罗方法随机生成集料颗粒，并按相容条件进行混合料骨架集成，以v c + + 为平台，开发出离散球体堆积计算程序，并将该程序应用于s m a l 6 骨架微观结构模 拟分析，同时就骨架间隙率、配位数对结构边界约束条件及混合料级配的敏感性问 题进行了讨论。结果表明：由计算机模拟的s m a 骨架结构与实际情况接近，对集料 配合比设计具有参考价值【6 “。 1 3 目前研究存在的问题 纵观国内外对沥青玛蹄脂性能的研究，可以看出，概括起来主要有这样几个方 面：沥青与矿物填料交互作用机理的研究，不同矿物填料对沥青玛蹄脂性能的影响， 沥青玛蹄脂性能的评价方法研究。但是仍然存在着很多问题： ( 1 ) 对于不同填料含量对沥青玛蹄脂性能的影响，并没有给出一个比较细致的 与实际路用性能相适宜的结果； ( 2 ) 在沥青玛蹄脂动态剪切模量方面的研究仍不多，而这是进行沥青混合料动 态模量预测的关键参数。 ( 3 ) 对于沥青玛蹄脂的微观力学模拟很少涉及。 沥青玛蹄脂的性能会直接关系到沥青混合料的性能，虽然目前国内外许多科研 机构对沥青玛蹄脂的力学性能进行了一些研究，但不够系统化，并且对沥青玛蹄脂 的微观机理探讨深度不够，所以关于沥青玛蹄脂的研究仍有大量的工作需要进行。 1 。4 本课题的意义及主要研究内容 本课题在已有成果基础上，采用不同的温度、填料粒径和含量，通过动态剪切 流交仪( d s r ) 分别进行动静态试验来分析沥青胶浆的技术性能，研究不同填料粒 径、含量、试件尺寸和不同温度对沥青胶浆性能的影响。在此基础上，通过试验结 果来求解粘弹性力学模型参数，并根据得到的参数进行了d s r 试验的数值模拟，为 进一步的沥青混合料微观结构分析提供了基础。 综上所述，本文主要进行如下方面的研究工作： ( 1 ) 沥青玛蹄脂的流变特性试验研究。将沥青玛蹄脂作为研究对象，借助于 s u p c r p a v e 沥青研究的相关设备动态剪切流变仪( d s r ) 对沥青玛蹄脂的流变特性进 行研究。根据s h r p 研究报告及粘弹性力学模型理论的要求，在大量试验的基础上 确定了利用d s r 设备试验时，确定不同温度下复合剪切模量及剪切蠕变试验保证线 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 弹性范围的加载应力的方法。然后进行动静态试验研究沥青玛蹄脂与温度、沥青玛 蹄脂的流变特性和填料粒径、沥青玛蹄脂的流变特性与填料含量之间的关系进行研 究。 ( 2 ) 沥青玛蹄脂的力学模型研究。分别通过动静态试验结果拟合沥青玛蹄脂的 粘弹性力学模型参数，提出了分段拟合法确定静态蠕变条件下b u r g e r s 模型四参数 的方法与根据目标函数确定动态频率扫描条件下b u r g e r s 模型四参数的方法。分段 拟合法中所有参数通过曲线拟合和求方程组得到，对量测瞬时柔量的要求降低，而 分段拟合根据蠕变方程的特点进行分段拟合，与其它数据拟合方法相比，具有较高 的精度。目标函数法主要是采用优化求解的方法来拟合参数，它通过试验得到的复 数模量，建立目标函数，通过建立模型参数的初值，迭代求解得到参数的最优解得 到。最后研究了温度、填料粒径和填料含量对沥青玛蹄脂的b u r g e r s 模型参数的影 响。 ( 3 ) 沥青玛蹄脂d s r 试验的数值模拟。根据求得的模型参数，建立适当的粘 弹性模型，对沥青玛蹄脂的d s r 试验进行了数值模拟，并与实际试验数据进行了比 较。 郑嗣大学硕士学位论文 第二章沥青与沥青玛蹄脂的流交特性 第二章沥青与沥青玛蹄脂的流变特性 2 1 材料的基本力学性质 2 1 1 弹性 完全弹性体是服从虎克定律的固体。在弹性范围内，材料在压缩或拉伸条件下 的应力与应变呈直线关系： e ：里 ( 2 一1 ) 其中：e 一比例系数，亦称弹性模量； 盯一拉伸或压缩应力； 占一应变。 此时，压力尸变化护时，体积矿跟着变化d 矿，则体积变化率为唧= 一矿d v ，按 虎克定律： 护：坐 v k = - 矿舅( 2 - 2 ) 式中足为体积压缩弹性模量。 g = 二 ( 2 3 ) ， 其中：g 一剪切弹性模量； 1 - 一剪应力； ，一剪应变。 对各向同性的弹性体，e 、g 、k 之间有以下关系： e = 3 k ( 1 2 ) = 2 g ( i + t ) ( 2 - 4 ) 式中口为泊松比。 这些性质适用于完全弹性体( 虎克体) ，e 、g 、k 是材料的固有常数。沥青材 料并非虎克弹性体，但在温度很低或者荷载作用时间很短( 速率很快) 的情况下， 应变持续时间很短，变形很小，基本上接近弹性体，实用上常按弹性体来处理。即 使在温度并不太低或荷载作用时间并不太短的情况下，研究计算某一瞬间的应力应 郑州大学硕士学位论文第二章沥青与沥青玛蹄脂的流变特性 变时，往往也按弹性力学的方式处理，从而使得问题大为简化。所不同的是，使用 的弹性模量只是该计算瞬间的材料“常数”( 实际上并非常数，而用劲度模量表示)