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原文传递基于分数阶导数理论的沥青胶砂及混合料力学特性研究

论文题名：	基于分数阶导数理论的沥青胶砂及混合料力学特性研究
关键词：	道路工程;沥青混合料;力学特性;分数阶导数理论
摘要：	沥青路面由于具有良好的行车舒适性、噪音小、对路基不均匀沉降适应性强和易于快速维修等优点而得到广泛应用。沥青混合料的力学性能受原材料种类、矿料级配组成、环境温度、荷载水平等多种因素影响，合理描述沥青混合料的力学特性显得十分困难。由于沥青混合料具有明显的温度敏感性，在夏季高温条件下，沥青路面在长期承受车辆重复荷载作用下容易出现车辙和波浪等病害，显著降低了沥青路面的行车舒适性和使用寿命，并给行车安全带来较大隐患。因此，通过系统研究沥青混合料在复杂环境条件下的力学行为，建立其合理的本构关系，探讨沥青路面使用性能的变化规律及其主要影响因素，对于减少车辙病害的发生和提高路面使用寿命都具有重要意义。　　按照胶浆理论，沥青混合料是由粗分散系、细分散系（沥青砂浆）和微分散系（沥青胶浆）组成的多级空间网状胶凝结构。各级分散系的材料组成及力学特性都影响着沥青混合料的高低温性能，使用传统的黏弹塑性力学理论不能够准确反映各级分散系的力学特性。另外，沥青混合料的蠕变变形特性对沥青路面的永久变形有着重要影响，进一步对沥青砂及沥青混合料的蠕变特性进行研究，充分了解其变形规律，可以为沥青混合料的配合比设计及性能评价提供可靠依据。为此，本文基于分数阶导数理论，分别对沥青胶浆、沥青砂及沥青混合料的力学性能进行了系统研究，取得的主要研究成果有: 　　(1)基于分数阶导数理论，分别构建了分数阶导数Maxwell模型、分数阶导数Kelvin模型和分数阶导数五元件流变模型，在此基础上，对软土的流变特性进行了研究。结合分数阶导数理论在高分子聚合物材料领域中的应用，表明分数阶导数理论在描述材料黏弹性力学特性方面具有明显的优势。　　(2)基于分数阶导数理论，揭示了黏弹性材料Nutting蠕变方程与经典分数阶导数Abel黏壶蠕变模型之间的关系，构建了分数阶导数动态黏弹性本构模型。针对沥青胶浆材料，分别采用变形因子和黏弹因子来表征其抗变形能力和黏弹性能，并基于不同粉胶比沥青胶浆在不同温度条件下的动态剪切流变试验结果，提出了确定沥青胶浆变形因子和黏弹因子材料参数的方法。　　(3)针对沥青胶浆的低温流变性能，利用Weibull分布函数建立了分数阶导数黏弹性损伤本构模型，基于不同粉胶比沥青胶浆在不同低温条件下弯曲梁流变试验结果，提出了确定模型参数的方法。　　(4)针对沥青砂的蠕变恢复变形特性，基于分数阶导数理论，提出了一种改进的分数阶导数幂函数经验蠕变本构模型。利用AS-13和AS-20两种沥青砂在不同温度及应力条件下的单轴静载蠕变恢复试验结果，并结合已有沥青砂蠕变恢复试验结果，对该本构模型参数进行了拟合分析，讨论了其变化规律及主要影响因素，为进一步研究沥青混合料的永久变形特性提供了新的途径。　　(5)针对沥青混合料单轴静载蠕变变形特性，基于分数阶导数理论，建立了一种新型的分数阶导数经验蠕变本构模型，该模型能够反映应力水平和温度等因素的影响。针对沥青混合料高温抗剪性能评价指标试验方法的不足，对现有单轴贯入试验压头进行了局部改进，并对AC-13C和AC-20C两种沥青混合料在不同温度条件下进行变形强度试验，基于沥青混合料的变形强度与抗压强度、抗压回弹模量及动稳定度之间的相关性分析结果，表明变形强度可以作为沥青混合料的高温抗剪性能评价技术指标。　　(6)基于ABAQUS提供的用户材料子程序二次开发功能，开发了分数阶导数沥青混合料经验蠕变本构模型子程序，能够实现循环动态荷载作用下沥青混合料车辙变形过程的数值仿真分析，为沥青路面结构的车辙预估提供了数值计算分析方法。　　本文通过对沥青混合料三级分散体系的力学特性进行深入研究，基于分数阶导数理论，分别提出了沥青胶浆的分数阶导数动态黏弹性本构模型和分数阶导数黏弹性损伤本构模型、沥青砂的改进分数阶导数导数幂函数经验蠕变本构模型和考虑温度水平和应力水平的分数阶导数沥青混合料经验蠕变本构模型。该方面的成果对合理描述沥青混合料的力学行为、全面掌握沥青混合料的变形特性及近似预估车辙变形具有重要的理论意义及应用价值。
作者：	李锐铎
专业：	工程安全与管理
导师：	乐金朝
授予学位：	博士
授予学位单位：	郑州大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文