基于CT扫描技术的不同压实度下沥青混合料细观空隙特性研究

【目的】深入了解压实不足对沥青混合料内部空隙细观结构的影响。【方法】以SMA-13试件为对象,通过调整压实次数制备不同压实度的试件。采用计算机断层扫描和图像识别技术精确识别空隙,探究不同压实度下的沥青混合料空隙细观结构特性,包括空隙数量、体积、主轴方向角和配位数。【结果】在沥青混合料成型过程中,受到外部击实功的影响,内部空隙的主轴方向逐渐趋向于稳定状态。此外,随着压实次数的增加,沥青混合料内的大部分空隙逐渐减小,但也存在一些相邻的开口空隙在逐渐结合后形成更大的开口空隙。最终,随着压实程度的提高,空隙的平均配位数减小,导致空隙连通性下降,整体空隙网络的复杂度逐渐减小。【结论】本研究旨在更好地理解不同压实度下沥青混合料空隙结构的细观差异,为沥青混合料的设计、评价和维护提供更为科学的依据。

外因素作用下沥青路面坑槽修补界面缝疲劳特性试验研究

沥青路面坑槽修补块在投入使用后,其四周的界面缝在自然环境和行车荷载效应等外因素作用下易出现疲劳耐久性问题。为分析外因素作用下修补界面缝的疲劳特性,采用四点弯曲疲劳试验和拉拔试验,结合正交分析结果,确定最佳修补界面黏结方案;以温度、频率和应变水平等外因素作为影响变量,分析各因素对界面缝疲劳寿命的影响规律;基于Origin软件平台,构建外因素作用下的沥青路面修补界面缝疲劳寿命预估模型。结果表明:在最佳修补界面形式下,界面缝疲劳寿命随荷载作用应变水平的增加而降低,但不同荷载频率、不同温度时的界面缝疲劳寿命降低趋势不同;温度越高,界面缝疲劳寿命越低,且随温度升高,界面缝疲劳寿命降低趋势更快;在相同修补措施下,行驶车辆高速高频,则界面缝疲劳寿命越小;该文所建立的外因素综合作用下界面缝疲劳寿命预估模型精度较高,可用于类似路面修补工程的界面缝寿命预估。

基于构型力断裂准则的骨料干涉作用分析

为研究沥青混凝土内部裂纹初始构型(如裂纹初始偏转角,空间位置)的改变对裂纹扩展路径以及裂纹扩展方式的影响,以裂尖构型力为断裂准则,通过扩展有限元XFEM建立具有不同初始构型的裂纹模型,模拟裂纹经过单骨料和非对称双骨料的情况;从裂纹扩展路径和裂尖构型力变化等方面分析骨料干涉作用下裂纹初始构型对裂纹扩展的影响.结果表明:1)在单骨料干涉作用下,裂尖构型力随骨料与初始裂尖夹角的增大而逐渐增大,表明骨料对裂纹扩展的干涉作用逐渐减弱,当其超过60°后,骨料对裂纹扩展的干涉作用可忽略不计;2)在非对称双骨料干涉作用下,随着骨料圆心连线与x轴夹角的增大,双骨料对裂纹扩展干涉作用愈加明显,当其大于45°时,裂尖构型力明显偏小,即骨料对裂纹扩展表现出“止裂”效果;3)当裂纹初始偏转角发生改变时,单骨料与非对称双骨料对裂纹扩展的干涉作用具有相似性,其裂尖构型力随偏转角增大呈现先增加后减小的趋势;4)当偏转角为45°时,裂尖构型力偏大,意味着裂纹趋于非稳定状态,骨料对裂纹扩展的抑制效果较弱,致使骨料对沥青混合料抗裂性能的提高受到一定限制.

水泥混凝土桥面环氧沥青超薄磨耗层层间结合性能提升工艺研究

环氧沥青超薄磨耗层是一种厚度小于10 mm的路面加铺技术,常用于旧混凝土桥面铺装恢复工程。但是由于其厚度更薄,导致对铺装层与原混凝土桥面间的黏结性能和抗剪性能的需求更高。文中采用胶结料拉拔试验测试了温度、界面粗糙度对环氧沥青胶结料黏附性能的影响,采用超薄罩面层扭剪试验研究了不同结构、不同施工工艺下的环氧沥青超薄罩面层的层间抗扭剪性能演变。结果表明,低温对环氧沥青胶结料的黏附性能基本无影响,高温对环氧沥青胶结料的黏附性能影响较大,高温(60℃)下的拉拔强度相比常温(25℃)下降约50%;水泥混凝土表面不同处理方式下的环氧沥青胶结料黏结性能有区别,但总体差别较小,表现为:刻槽处理>拉毛处理>光面;相同环氧沥青罩面层结构下,同步施工工艺与异步施工工艺的效果相近;同样的施工工艺下,双环氧单层石料结构超薄磨耗层的抗扭剪强度约为三环氧结构的2倍,但双环氧结构的超薄磨耗层整体韧性较差,容易发生脆性破坏,适应变形的能力弱。

无缝伸缩缝沥青胶结料高温性能指标区分评价

为优选无缝伸缩缝沥青胶结料类型,提高无缝伸缩缝弹塑体高温稳定性,对选用的3种无缝伸缩缝沥青胶结料分别开展沥青基本性能试验、动态剪切温度扫描试验和多应力蠕变恢复试验,采用软化点、车辙因子与相位角,以及蠕变恢复率和不可恢复蠕变柔度等指标来评价3种无缝伸缩缝沥青胶结料的高温性能,并进行一致性和区分度分析,最后结合沥青混合料车辙试验进行验证.试验结果表明:受弹塑体中沥青胶结料聚合物掺量高及其高延迟弹性恢复能力的影响,国内外现行关于无缝伸缩缝沥青胶结料规范采用的软化点、车辙因子等指标对无缝伸缩缝沥青胶结料高温性能评价的一致性存在偏差,而基于多应力蠕变恢复试验的黏弹特性指标具有较好的一致性,且区分度明显.因此推荐采用区分度和一致性更可靠的多应力蠕变恢复试验作为评价无缝伸缩缝沥青胶结料高温性能的关键控制指标.

基于非线性破坏准则的边坡稳定性极限分析

上限定理是求解岩土工程问题的有效工具。以上限定理为理论基础,分析边坡的稳定性问题,并考虑了岩土材料破坏准则的非线性特性。在非线性Mohr-Coulomb破坏准则下,采用条分法与极限分析上限法相结合的方法,对边坡稳定性进行分析。通过切线法引入非线性强度参数ct、?t,推导了岩土材料在非线性破坏准则下的相关联流动法则,建立功能方程,推导了边坡直线滑裂面、折线滑裂面和光滑曲线滑裂面安全系数F的计算方程。采用数学规划法计算后与工程实际中常用的边坡稳定性分析方法进行对比,并获得安全系数F=1.0时的稳定性系数Ns。与已有的研究成果进行比较分析,结果表明了该方法的正确性及优越性。

移动荷载下含纵横向双裂纹沥青路面复合断裂特性

为了研究移动荷载作用下沥青路面的复合开裂的变化规律,基于断裂力学及有限元数值模拟方法,考虑沥青面层材料的粘弹性,分别研究了移动荷载作用下不同双裂纹间距、不同反射裂纹深度对面层top-down(纵向)、基层反射(横向)裂纹应力强度因子的影响,探讨了其开裂扩展特性,评估了不同移动荷载状态下面层topdown裂纹的断裂疲劳寿命.结果表明:移动荷载作用下,面层top-down裂纹以Ⅱ型扩展为主,在单裂纹及双裂纹间距为0时,分别对应其扩展最严重与最轻微情形,但双裂纹间距及反射裂纹深度对其扩展影响较小;对于基层反射裂纹,当双裂纹间距为400 mm时,最易发生Ⅰ、Ⅱ型开裂扩展,随着反射裂纹深度的增加,扩展程度也逐渐增大;不同移动荷载状态下的top-down复合型裂纹断裂疲劳寿命长短顺序为:高速最长,次之静态、低速制动最短,制动情形下的疲劳寿命仅为高速情形下的20.4%.

极限上限分析中“切线法”引入非线性破坏准则的探讨

基于极限分析上限法,讨论了"切线法"引入非线性M-C破坏准则时采用"初始切线法"和"外切线法"对边坡临界高度、地基承载力、主动土压力3个经典土力学问题的影响,用以分析"外切线法"引入非线性破坏准则对分析岩土问题的合理性和有效性。研究表明:非线性参数对土工结构的安全性有重要影响,恰当引入岩土材料的非线性破坏特性更加符合工程实际;基于上限法通过"初始切线法"引入非线性破坏准则是众多上限解答的一个上限解答,特定条件下能够获得较好的上限解,但随着非线性参数m的增大由此引起的误差也越来越大,采用"外切线法"更具有效性和合理性。

基于季节时温的沥青路面温荷耦合动力性能分析

为探究大温差地区季节时温变化对沥青路面性能的影响规律,考虑沥青混凝土的时温粘弹性,采用数值模拟方法,针对两种典型沥青路面结构——水泥稳定碎石半刚性基层(结构S1)及级配碎石柔性基层(结构S2)进行了基于季节时温变化的路面结构温荷耦合动力行为与性能分析.结果表明:随轴重增加、动载频率降低、水平推力方向由与行车方向相反变为与行车方向相同以及层间状态恶化,沥青层层底应力总体呈增大趋势,疲劳寿命逐渐降低;路面温度分布的变化对各结构层拉应力的影响表现为夏季显著而冬季不显著,且对于面层层底拉应力,夏季小于冬季,高温时刻小于低温时刻,基层拉应力则表现出相反的变化趋势;虽然结构S1的沥青层在不同时温下的疲劳寿命优于结构S2,但存在随时温改变而急剧波动的不足;相反,结构S2波动小,性能稳定,具有更好的环境适应性.

温度与移动荷载作用下特重交通RCC基层沥青路面结构响应分析

为便于传统半刚性基层沥青路面改造方案结构优选,使改造后的路面能更好地承受特重交通与环境温度作用,针对碾压混凝土(RCC)基层以及组合式基层沥青路面两种改造方案,利用ABAQUS有限元软件进行其在大气温度作用下的路面结构温度场预估、温度应力分析,以及典型温度场与移动荷载的耦合分析。结果表明:①大气温度对路面温度场的影响主要集中在面层,尤其是中上面层,温度变化梯度对温度应力影响较大;②温度应力主要集中在基层及以上结构层,面层在温度较低时承受拉应力,基层顶面承受较大的温度压应力;③相比于组合式基层,RCC基层沥青路面在温度与移动荷载共同作用下,其沥青中下面层剪应力、沥青层层底弯拉应变以及土基顶部压应变等均具有更为明显的力学优势,且抗疲劳开裂和永久变形损伤预期寿命最长。RCC基层沥青路面可作为特重交通路面改造工程的优选结构。

采用衰减全反射红外光谱检测改性沥青的SBS掺量及其老化降解程度

采用透射法和衰减全反射法(ATR)分别对不同SBS掺量(质量分数为0,3.0%,4.5%,6.0%和7.5%)和不同老化状态的改性沥青样品进行检测,并使用荧光显微研究改性沥青微观相态变化对光谱检测结果的影响。针对改性沥青的老化行为研究,提出适用于ATR法的改性沥青老化评价指标IB/S。研究结果表明:ATR法作为一种表面化学分析手段,其穿透深度(约1μm)远比透射法的小(约30μm),因此,改性沥青不均匀的微观相态可能干扰ATR检测,且SBS掺量越高,干扰越明显。在研究SBS改性沥青时,ATR法与透射法的检测结果不完全等同。当待测样品的SBS掺量较高时,建议采用透射法。IB/S指数并不以SBS浓度为基准,同时适用于透射法与ATR法,且可以评价未知SBS掺量改性沥青的老化程度。

基于ISS&SSDR的沥青路面层间疲劳寿命外因素综合影响预估

目前沥青路面层间疲劳性能的评估高度依赖于疲劳寿命,但现有层间疲劳寿命模型中考虑的因素不够全面,且层间疲劳模型与初始剪切模量之间缺乏关联性。本研究进行了4种外因素条件下(即:剪切应力幅值、温度、加载频率、压应力)的小梁四点剪切疲劳试验,获取了路面层间的初始剪切模量(ISS)与剪切模量衰变速率(SSDR),分别建立了ISS与SSDR的非线性多元回归模型,并综合ISS、SSDR双指标形成层间疲劳寿命Nf预测模型。结果表明:①各因素对层间ISS的影响排序为:温度>剪切应力幅值>加载频率>压应力;各因素对层间SSDR的影响排序为:压应力>温度>剪切应力幅值>加载频率;各因素对层间疲劳寿命的影响排序为:温度>压应力>剪切应力幅值>加载频率;②基于ISS与SSDR构建的层间疲劳寿命Nf的表达模型,实现了外因素综合作用下疲劳寿命Nf、ISS、SSDR三指标相互关联。研究成果为层间疲劳寿命预估提供一种新途径,为加强层间设计提供理论支撑。

移动荷载下沥青路面双Top-Down裂纹扩展特性

目的研究沥青路面双Top-Down裂纹在移动荷载作用下的扩展特性.方法基于断裂力学与动力学理论,考虑沥青混合料的黏弹性特性,采用有限元数值模拟方法,研究含双Top-Down裂纹沥青路面在移动荷载下的动力响应,分析裂纹间距与面层材料类型对裂纹尖端应力强度因子的影响.结果在移动荷载的作用下,双裂纹并存时面层加速发生Ⅰ、Ⅱ型开裂扩展要比单裂纹的情形更为严重;对于居中裂纹,随着裂纹间距的增大,K_Ⅰ的峰值略有增加,而KⅡ的左峰值逐渐增大,右峰值则逐渐减小;对于侧边裂纹,K_Ⅱ峰值随裂纹间距的变化规律与居中裂纹相反;当荷载作用在居中裂纹或侧边裂纹正上方时,就裂纹间距而言,间距大易引发Ⅰ型裂纹扩展,间距小易引发Ⅱ型裂纹扩展.结论在移动荷载作用下,对于已存在居中裂纹或侧边裂纹的面层,改性沥青SMA材料Ⅰ的抗开裂扩展性能最优,改性沥青AC材料Ⅲ其次,而普通沥青AC材料Ⅱ最差.

基于改进响应曲面法的化学反应性复合改性沥青最优配方研究

为提高沥青综合性能,采用响应曲面法与灰色关联度相结合的改进响应曲面方法研制了一种新型化学反应性复合改性沥青。在单因素试验的基础上,采用中心复合设计方法(CCD),以软化点、10℃延度、针入度指数和60℃动力黏度作为沥青综合性能考察指标进行试验分析,通过灰色关联度分析方法确定沥青综合性能总评分,进而建立沥青总评分的响应曲面二次方程,确定了化学反应性复合改性沥青各改性剂最优掺量为:SEBS-GMA5.5%,PPA0.65%, DOM1.6%,并进行了性能验证。结果表明,采用改进响应曲面法研制的化学反应性复合改性沥青具有优良的综合性能。

短期老化对伸缩缝胶结料高温性能的影响

为研究短期老化时间和温度对沥青填充式伸缩缝(Asphalt Plug Joints,APJs)材料高温性能的影响,探索适合模拟APJs胶结料短期老化的试验方法,确定能够合理衡量APJs胶结料老化程度与短期老化后性能的试验方法与指标,结合文献与现场调研,确定了APJs胶结料短期老化的实验室模拟方法与操作流程,再通过多重应力蠕变恢复(Multiple Stress Creep Recovery,MSCR)试验对不同工况下一种应用较多的APJs胶结料(MUT)进行了测试。结果表明:增加老化时间与温度以及氧气的参与均会加重MUT材料的老化程度,短期老化对伸缩缝胶结料抵抗永久变形能力和高温恢复变形的能力均有较为突出的增强,并且短期老化对其高温性能的增强主要发生在老化过程的前120 min。利用MSCR试验对APJs胶结料高温性能进行研究时,可适当拓宽其试验温度范围,且J_(nr3.2)与R_(3.2)指标的评价效果较好,区分度较高。

基于双边缺口拉伸试验的SBS改性沥青抗疲劳性能评价

为研究SBS改性沥青在中温下的抗疲劳性能,依托我国某高速公路采用的SBS改性沥青,采用双边缺口拉伸试件并借助测力延度仪,分析基于临界裂纹尖端位移的沥青胶结料抗疲劳性能,随后对不同温拌剂含量SBS改性沥青进行临界尖端位移和疲劳因子疲劳测试,并通过小梁四点弯曲疲劳试验进行验证。结果表明:①临界尖端位移与疲劳因子测试值对所选用沥青样本抗疲劳性能的结果具有一致性;②双边缺口拉伸试验中温度对沥青疲劳性能的区分影响极大,适当的提升温度对沥青的抗疲劳性能区分度更优;③沥青胶结料临界尖端位移所表征的疲劳性能变化趋势与对应混合料的疲劳寿命Nfnm的变化趋势相近,进一步验证了基于临界尖端位移的SBS改性沥青抗疲劳性能区分效果。

沥青混合料低温裂纹扩展演化行为分析

以悬浮密实、骨架密实和骨架空隙这3种典型骨架结构沥青混合料为试验对象,通过间接拉伸试验(IDT),从宏观角度分析了骨架结构对沥青混合料低温裂纹扩展演化行为的影响;采用颗粒随机生长算法建立了沥青混合料离散元模型,结合数值分析,从裂纹类型、数量、裂纹能量释放率及裂尖应力场等细观尺度,对3种典型骨架结构沥青混合料低温裂纹扩展演化特征进行了分析.结果表明:在骨架空隙、骨架密实及悬浮密实骨架结构下,沥青混合料内部耗能速率提高,储能速率下降,裂纹能量总释放率增大,从能量角度证实悬浮密实型沥青混合料发生破坏时需要更多的能量;悬浮密实型沥青混合料内部更不易出现应力集中,有利于抑制剪应力场的出现,从而减少Ⅱ型裂纹数量.

超密实沥青混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展研究

为了研究低温地区超密实型沥青混凝土内部Ⅰ-Ⅱ复合型微裂纹扩展规律,基于Eshelby等效夹杂理论和最大周向应力断裂准则,建立了当复合型裂纹发生失稳型扩展时其内部微裂纹偏转角β与应力场之间的关系,并确定了扩展方向;建立沥青混凝土细观离散元模型,考虑沥青混凝土的黏弹性,分析了内部微裂纹β对复合裂纹扩展的影响规律.研究结果表明:对二维平面问题,β的变化主要引起裂纹在沥青混凝土中分布状态的变化,在极大程度上造成了沥青混凝土的宏观有效弹性模量和剪切模量在时域内的减小;在常荷载作用下,β的增大造成了宏观裂纹孕育和扩展历程的缩短,还致使复合型裂纹由Ⅰ型裂纹逐渐转变为Ⅱ型裂纹;β的增大不仅使裂尖域内应力场发生一定偏转,而且导致裂尖域内应力场和衰坏区的减小.

沥青填充式桥梁无缝伸缩缝材料黏弹性试验研究

以国内生产的沥青填充式桥梁无缝伸缩缝材料(以下简称MUT)为研究对象,采用动态剪切流变仪在8种不同的应力等级下,对其黏弹性进行蠕变试验,并结合一种聚合物模型对试验数据进行拟合,表征并分析了短期老化与温度改变对MUT黏弹性的影响。研究结果表明:短期老化与温度的降低均能够显著降低各个应力等级下的蠕变柔量以及蠕变柔量对于加载时间与加载应力的敏感性,扩大了线性黏弹性的应力范围,增强了MUT抵抗变形的能力;而温度的升高则会造成相反的影响;采用的聚合物模型对于试验结果具有理想的拟合效果,能够良好地表征MUT的黏弹性。

重载交通沥青路面改造方案控制破损模式分析与寿命预估

为利于在沥青路面改造过程中优选出适应于重载交通的路面结构方案,以东南沿海某市重载交通沥青路面改造工程为依托,针对不同的路面结构改造方案,利用有限元软件KENPAVE中的KENLAYER模块建立基于弹性层状体系理论的沥青路面结构模型,从疲劳开裂和永久变形出发进行路面结构的破损分析和使用寿命预估。结果表明:(1)重载交通作用下,路面永久变形破损率通常大于疲劳开裂破损率,应通过结构优化重点加以控制;(2)基层对重载交通沥青路面综合性能有显著影响,增加厚度、提高强度,有助于直接提高结构整体抗疲劳开裂和抗永久变形的能力,有利于提高路面结构使用寿命;(3)轴重变化对路面结构的破损程度影响较大,轴重增大,结构预期使用寿命明显减小,但行车速度对其影响较小。经综合比较,在4种改造方案中,结构2即基层采用碾压水泥混凝土的改造方案,其预期使用寿命最长,可作为依托工程路面改造的优选方案。