基于界面行為的多孔瀝青混合料凍融損傷特性研究.pdf

1、在今年初國家制定的十二五規(guī)劃中,提出綠色發(fā)展的概念,即建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會,促進資源的循環(huán)利用,加強生態(tài)和環(huán)境保護。在這種背景下,由于具有抗滑、降噪、雨天行駛安全、有效補充地下水資源、合理利用廢舊輪胎材料等諸多優(yōu)點,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。但是,由于結(jié)構(gòu)組成與常規(guī)密級配瀝青混合料不同,強度僅靠內(nèi)摩阻力與相對更弱的粘聚力提供,耐久性問題一直是制約多孔瀝青混合料進一步應用的瓶頸,尤其在季節(jié)性冰凍地區(qū)使用規(guī)

2、模更小。國內(nèi)外對多孔瀝青混合料在季凍區(qū)耐久性的研究主要關(guān)注帶釘輪胎導致的磨損與過度撒布除冰鹽帶來的經(jīng)濟與環(huán)保問題,而對于不利季節(jié)的凍融耐久性,由于研究目標與方法不一致,仍然有許多問題亟待澄清。因此結(jié)合理論分析與試驗驗證,探討多孔瀝青混合料凍融損傷特性,通過界面行為分析,提出改善凍融耐久性的技術(shù)對策,將對多孔瀝青混合料在季凍區(qū)的應用提供理論支撐。
　　首先,對多孔瀝青混合料的凍融損傷特點進行了分析,由于材料屬性、外部冰凍荷載以及損傷

3、模式的復雜性,具體研究過程應做適當簡化。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試驗,全面分析了試驗條件對凍融結(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方法。微觀上以瀝青與集料界面性能為研究目標,提出了評價界面性能的試驗系統(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。進一步采用真實集料模擬混合料中瀝青與集料的粘結(jié)狀態(tài),試驗結(jié)果表明相對于鋁制夾具,集料與瀝青之間有著更強的界面粘結(jié)性能。
　

4、　其次針對多孔瀝青混合料抗凍性能的內(nèi)外影響因素進行了全面的研究?；诓煌障堵蕿r青混合料的強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于凍融耐久性的重要影響。結(jié)合空隙率在實際路面以及室內(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,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。而后對影響室內(nèi)混合料抗凍性能評價的因素進行了分析

5、,提出單軸壓縮模式更適合開級配磨耗層抗凍性能的評價。并根據(jù)多次凍融循環(huán)試驗中的瀝青硬化規(guī)律,借助混合料動態(tài)模量預測模型,建立了室內(nèi)凍融試驗結(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。以此對近似凍融溫度下(-10～20℃)多孔瀝青混合料單軸壓縮試驗的應力-應變曲線進行了擬合,并重點針對粘彈模型、塑性模型以及損傷因子中相應參數(shù)隨溫度與加載速率的變化規(guī)律加以分析,驗證了該理論模型用于描述多孔瀝青混合

6、料力學性能的合理性。進而采用上述模型對凍融作用后的多孔瀝青混合料力學行為進行了分析。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,即宏觀模量下降,松弛時間變長,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。
　　隨后重點針對瀝青與集料界面性能開展了大量的試驗研究。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系統(tǒng),首先以溫度循環(huán)荷載為研究目標,對界面系統(tǒng)施加了低頻

7、疲勞荷載,根據(jù)提出的疲勞損傷模型,對疲勞壽命進行了預估。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,溫度越低,瀝青與集料間界面疲勞壽命越長。除長期老化橡膠瀝青外,老化可以有效改善瀝青與集料間界面疲勞性能。此外相對于花崗巖,玄武巖與瀝青間具有更佳的界面疲勞性能。進一步提出了界面系統(tǒng)單向加載開裂試驗,基于時溫等效原則建立了不同溫度下的界面開裂臨界應變能密度主曲線,并對較低溫度下(0℃以下)的開裂行為進行了預測。綜合對比界面

8、疲勞與開裂性能,分析疲勞試驗中單次加載循環(huán)應變峰值,借助統(tǒng)計分析手段明確了兩者之間存在著較強的相關(guān)性,由此可采用1剪應變率下的開裂試驗臨界應變能密度評價凍融循環(huán)荷載下的界面性能。不同溫度與加載速率下的開裂試驗結(jié)果同樣表明橡膠瀝青具有更大的臨界應變能密度,老化的作用規(guī)律也基本同疲勞試驗,但在較低溫度下,長期老化不利于界面粘結(jié)性能。
　　在上述研究基礎上,提出更為簡便的低溫粘附性試驗,并對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,根據(jù)低溫粘附性試驗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數(shù)據(jù),提出瀝青與集料界面系統(tǒng)臨界應變能密度越大,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,就自愈性對瀝