基于分數(shù)階導數(shù)理論的瀝青膠砂及混合料力學特性研究.pdf

1、瀝青路面由于具有良好的行車舒適性、噪音小、對路基不均勻沉降適應性強和易于快速維修等優(yōu)點而得到廣泛應用。瀝青混合料的力學性能受原材料種類、礦料級配組成、環(huán)境溫度、荷載水平等多種因素影響，合理描述瀝青混合料的力學特性顯得十分困難。由于瀝青混合料具有明顯的溫度敏感性，在夏季高溫條件下，瀝青路面在長期承受車輛重復荷載作用下容易出現(xiàn)車轍和波浪等病害，顯著降低了瀝青路面的行車舒適性和使用壽命，并給行車安全帶來較大隱患。因此，通過系統(tǒng)研究瀝青混合料在

2、復雜環(huán)境條件下的力學行為，建立其合理的本構(gòu)關(guān)系，探討瀝青路面使用性能的變化規(guī)律及其主要影響因素，對于減少車轍病害的發(fā)生和提高路面使用壽命都具有重要意義。
　　按照膠漿理論，瀝青混合料是由粗分散系、細分散系（瀝青砂漿）和微分散系（瀝青膠漿）組成的多級空間網(wǎng)狀膠凝結(jié)構(gòu)。各級分散系的材料組成及力學特性都影響著瀝青混合料的高低溫性能，使用傳統(tǒng)的黏彈塑性力學理論不能夠準確反映各級分散系的力學特性。另外，瀝青混合料的蠕變變形特性對瀝青路面的永

3、久變形有著重要影響，進一步對瀝青砂及瀝青混合料的蠕變特性進行研究，充分了解其變形規(guī)律，可以為瀝青混合料的配合比設(shè)計及性能評價提供可靠依據(jù)。為此，本文基于分數(shù)階導數(shù)理論，分別對瀝青膠漿、瀝青砂及瀝青混合料的力學性能進行了系統(tǒng)研究，取得的主要研究成果有:
　　(1)基于分數(shù)階導數(shù)理論，分別構(gòu)建了分數(shù)階導數(shù)Maxwell模型、分數(shù)階導數(shù)Kelvin模型和分數(shù)階導數(shù)五元件流變模型，在此基礎(chǔ)上，對軟土的流變特性進行了研究。結(jié)合分數(shù)階導數(shù)理論

4、在高分子聚合物材料領(lǐng)域中的應用，表明分數(shù)階導數(shù)理論在描述材料黏彈性力學特性方面具有明顯的優(yōu)勢。
　　(2)基于分數(shù)階導數(shù)理論，揭示了黏彈性材料Nutting蠕變方程與經(jīng)典分數(shù)階導數(shù)Abel黏壺蠕變模型之間的關(guān)系，構(gòu)建了分數(shù)階導數(shù)動態(tài)黏彈性本構(gòu)模型。針對瀝青膠漿材料，分別采用變形因子和黏彈因子來表征其抗變形能力和黏彈性能，并基于不同粉膠比瀝青膠漿在不同溫度條件下的動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果，提出了確定瀝青膠漿變形因子和黏彈因子材料參數(shù)的方

5、法。
　　(3)針對瀝青膠漿的低溫流變性能，利用Weibull分布函數(shù)建立了分數(shù)階導數(shù)黏彈性損傷本構(gòu)模型，基于不同粉膠比瀝青膠漿在不同低溫條件下彎曲梁流變試驗結(jié)果，提出了確定模型參數(shù)的方法。
　　(4)針對瀝青砂的蠕變恢復變形特性，基于分數(shù)階導數(shù)理論，提出了一種改進的分數(shù)階導數(shù)冪函數(shù)經(jīng)驗蠕變本構(gòu)模型。利用AS-13和AS-20兩種瀝青砂在不同溫度及應力條件下的單軸靜載蠕變恢復試驗結(jié)果，并結(jié)合已有瀝青砂蠕變恢復試驗結(jié)果，對該本

6、構(gòu)模型參數(shù)進行了擬合分析，討論了其變化規(guī)律及主要影響因素，為進一步研究瀝青混合料的永久變形特性提供了新的途徑。
　　(5)針對瀝青混合料單軸靜載蠕變變形特性，基于分數(shù)階導數(shù)理論，建立了一種新型的分數(shù)階導數(shù)經(jīng)驗蠕變本構(gòu)模型，該模型能夠反映應力水平和溫度等因素的影響。針對瀝青混合料高溫抗剪性能評價指標試驗方法的不足，對現(xiàn)有單軸貫入試驗壓頭進行了局部改進，并對AC-13C和AC-20C兩種瀝青混合料在不同溫度條件下進行變形強度試驗，基于

7、瀝青混合料的變形強度與抗壓強度、抗壓回彈模量及動穩(wěn)定度之間的相關(guān)性分析結(jié)果，表明變形強度可以作為瀝青混合料的高溫抗剪性能評價技術(shù)指標。
　　(6)基于ABAQUS提供的用戶材料子程序二次開發(fā)功能，開發(fā)了分數(shù)階導數(shù)瀝青混合料經(jīng)驗蠕變本構(gòu)模型子程序，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)動態(tài)荷載作用下瀝青混合料車轍變形過程的數(shù)值仿真分析，為瀝青路面結(jié)構(gòu)的車轍預估提供了數(shù)值計算分析方法。
　　本文通過對瀝青混合料三級分散體系的力學特性進行深入研究，基于分數(shù)