基于界面行為的多孔瀝青混合料凍融損傷特性研究.pdf

1、在今年初國(guó)家制定的十二五規(guī)劃中,提出綠色發(fā)展的概念,即建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì),促進(jìn)資源的循環(huán)利用,加強(qiáng)生態(tài)和環(huán)境保護(hù)。在這種背景下,由于具有抗滑、降噪、雨天行駛安全、有效補(bǔ)充地下水資源、合理利用廢舊輪胎材料等諸多優(yōu)點(diǎn),多孔瀝青路面已經(jīng)成為道路工程界路面鋪裝的研究熱點(diǎn)。但是,由于結(jié)構(gòu)組成與常規(guī)密級(jí)配瀝青混合料不同,強(qiáng)度僅靠?jī)?nèi)摩阻力與相對(duì)更弱的粘聚力提供,耐久性問(wèn)題一直是制約多孔瀝青混合料進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸,尤其在季節(jié)性冰凍地區(qū)使用規(guī)

2、模更小。國(guó)內(nèi)外對(duì)多孔瀝青混合料在季凍區(qū)耐久性的研究主要關(guān)注帶釘輪胎導(dǎo)致的磨損與過(guò)度撒布除冰鹽帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保問(wèn)題,而對(duì)于不利季節(jié)的凍融耐久性,由于研究目標(biāo)與方法不一致,仍然有許多問(wèn)題亟待澄清。因此結(jié)合理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證,探討多孔瀝青混合料凍融損傷特性,通過(guò)界面行為分析,提出改善凍融耐久性的技術(shù)對(duì)策,將對(duì)多孔瀝青混合料在季凍區(qū)的應(yīng)用提供理論支撐。
　　首先,對(duì)多孔瀝青混合料的凍融損傷特點(diǎn)進(jìn)行了分析,由于材料屬性、外部冰凍荷載以及損傷

3、模式的復(fù)雜性,具體研究過(guò)程應(yīng)做適當(dāng)簡(jiǎn)化。由此提出宏微觀結(jié)合的分析手段。宏觀層面涉及凍融力學(xué)試驗(yàn),全面分析了試驗(yàn)條件對(duì)凍融結(jié)果的影響,確定了包含不同飽水條件與加載模式的兩種試驗(yàn)方法。微觀上以瀝青與集料界面性能為研究目標(biāo),提出了評(píng)價(jià)界面性能的試驗(yàn)系統(tǒng),基于界面受力分析明確了研究界面性能的關(guān)鍵在于瀝青薄膜厚度的選擇。進(jìn)一步采用真實(shí)集料模擬混合料中瀝青與集料的粘結(jié)狀態(tài),試驗(yàn)結(jié)果表明相對(duì)于鋁制夾具,集料與瀝青之間有著更強(qiáng)的界面粘結(jié)性能。
　

4、　其次針對(duì)多孔瀝青混合料抗凍性能的內(nèi)外影響因素進(jìn)行了全面的研究?；诓煌障堵蕿r青混合料的強(qiáng)度與物理特性衰減規(guī)律,總結(jié)出瀝青混合料凍融損傷的三階段,明確瀝青與集料界面性能對(duì)于凍融耐久性的重要影響。結(jié)合空隙率在實(shí)際路面以及室內(nèi)混合料試樣內(nèi)部的不均勻分布現(xiàn)象,提出多孔瀝青混合料的凍融損傷臨界位置在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部。以空隙率與滲水系數(shù)間的關(guān)系為基礎(chǔ),初步提出滿足多孔瀝青混合料凍融耐久性的滲水系數(shù)要求。而后對(duì)影響室內(nèi)混合料抗凍性能評(píng)價(jià)的因素進(jìn)行了分析

5、,提出單軸壓縮模式更適合開(kāi)級(jí)配磨耗層抗凍性能的評(píng)價(jià)。并根據(jù)多次凍融循環(huán)試驗(yàn)中的瀝青硬化規(guī)律,借助混合料動(dòng)態(tài)模量預(yù)測(cè)模型,建立了室內(nèi)凍融試驗(yàn)結(jié)果的修正公式。
　　基于增量型本構(gòu)方程,構(gòu)建了多孔瀝青混合料的粘彈塑性損傷模型。以此對(duì)近似凍融溫度下(-10～20℃)多孔瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了擬合,并重點(diǎn)針對(duì)粘彈模型、塑性模型以及損傷因子中相應(yīng)參數(shù)隨溫度與加載速率的變化規(guī)律加以分析,驗(yàn)證了該理論模型用于描述多孔瀝青混合

6、料力學(xué)性能的合理性。進(jìn)而采用上述模型對(duì)凍融作用后的多孔瀝青混合料力學(xué)行為進(jìn)行了分析。理論模型中的參數(shù)變化規(guī)律揭示了多孔瀝青混合料凍融損傷特點(diǎn),即宏觀模量下降,松弛時(shí)間變長(zhǎng),內(nèi)摩阻角增大,材料體積變形加大,混合料內(nèi)部粘聚力喪失,集料與瀝青間界面性能也隨之迅速衰減。
　　隨后重點(diǎn)針對(duì)瀝青與集料界面性能開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究。選取2種瀝青(3種老化狀態(tài))與2種集料分別組合成為界面試驗(yàn)系統(tǒng),首先以溫度循環(huán)荷載為研究目標(biāo),對(duì)界面系統(tǒng)施加了低頻

7、疲勞荷載,根據(jù)提出的疲勞損傷模型,對(duì)疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)估。結(jié)果表明橡膠瀝青與集料間有著更好的界面疲勞壽命。在0℃以上時(shí),溫度越低,瀝青與集料間界面疲勞壽命越長(zhǎng)。除長(zhǎng)期老化橡膠瀝青外,老化可以有效改善瀝青與集料間界面疲勞性能。此外相對(duì)于花崗巖,玄武巖與瀝青間具有更佳的界面疲勞性能。進(jìn)一步提出了界面系統(tǒng)單向加載開(kāi)裂試驗(yàn),基于時(shí)溫等效原則建立了不同溫度下的界面開(kāi)裂臨界應(yīng)變能密度主曲線,并對(duì)較低溫度下(0℃以下)的開(kāi)裂行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)。綜合對(duì)比界面

8、疲勞與開(kāi)裂性能,分析疲勞試驗(yàn)中單次加載循環(huán)應(yīng)變峰值,借助統(tǒng)計(jì)分析手段明確了兩者之間存在著較強(qiáng)的相關(guān)性,由此可采用1剪應(yīng)變率下的開(kāi)裂試驗(yàn)臨界應(yīng)變能密度評(píng)價(jià)凍融循環(huán)荷載下的界面性能。不同溫度與加載速率下的開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果同樣表明橡膠瀝青具有更大的臨界應(yīng)變能密度,老化的作用規(guī)律也基本同疲勞試驗(yàn),但在較低溫度下,長(zhǎng)期老化不利于界面粘結(jié)性能。
　　在上述研究基礎(chǔ)上,提出更為簡(jiǎn)便的低溫粘附性試驗(yàn),并對(duì)3種集料與3種瀝青及膠漿在低溫狀態(tài)下的粘結(jié)性能

9、進(jìn)行了分析。改性瀝青,尤其是橡膠瀝青,有助于提高集料與瀝青間的界面粘結(jié)性能。同時(shí),根據(jù)低溫粘附性試驗(yàn)中破壞特征分析可知,瀝青薄膜與集料間的粘結(jié)性能是低溫下混合料破壞的主要誘因。選用2種典型的材料組合成型多孔瀝青混合料,綜合分析宏觀凍融性能演化規(guī)律,并結(jié)合微觀界面性能試驗(yàn)數(shù)據(jù),提出瀝青與集料界面系統(tǒng)臨界應(yīng)變能密度越大,界面疲勞性能越好,低溫下界面粘結(jié)性能越佳,選用該材料組合成型的多孔瀝青混合料也具有更好的抗凍融破壞能力。最后,就自愈性對(duì)瀝