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原文传递基于细观力学的导电沥青混凝土力学性能及导电机理研究

论文题名：	基于细观力学的导电沥青混凝土力学性能及导电机理研究
关键词：	导电沥青混凝土路面;导电机理;细观力学;力学性能;有限元模拟
摘要：	冬季沥青混凝土路面的积雪结冰严重影响道路交通安全性和行车舒适性，给人们出行带来了很多不便。融雪化冰研究已经成为当前国内外沥青混凝土路面领域的研究热点，导电沥青混凝土是一种用于融雪化冰较为可行且效果较好的方法。目前，导电沥青混凝土的大多数力学性能和导电性能都是通过实验室试验进行分析的，而并没有相关学者进行深入的理论研究和机理研究。因此，本文基于细观力学预测导电沥青混凝土弹性模量及电导率，研究导电沥青混凝土路面导电后力学性能的变化，进一步探索导电沥青混凝土的内在导电机理，提出真正适用于导电沥青混凝土路面的导电机理，对于将导电沥青混凝土应用于具体实际工程中具有重要指导意义。　　细观力学理论中Voigt-Reuss上下限可以较好的预测导电沥青混凝土有效弹性模量的范围，比较各种细观力学方法，选取广义自洽法和纤维简化理论得到的模型可以较好的预测导电沥青混凝土的弹性性能。　　借鉴导电复合材料的导电机理，渗流模型只能预测导电颗粒体积分数大于渗流阈值时的电导率。有效介质EMT模型采用一种平均场理论，因此预测的渗流阈值往往高于试验的渗流阈值，电导率预测值远远大于试验值。基于渗流理论和有效介质理论的GEM模型，可以较好地预测具有不同颗粒形状和分布的两相导电复合材料的电导率，但是其渗流阈值仍然需要通过试验来确定，存在一定的局限性。考虑到导电颗粒与绝缘基体之间存在较大的电导率差异性，提出了简化GEM模型。　　Hashin-Shtrikman(H-S)模型只能给出电导率的大致范围，并不能较为准确地预测电导率。依据导电颗粒形状，利用扁平椭球夹杂和多边形夹杂的Eshelby张量，我们可以采用自洽模型分析含有随机分布的不同形状导电颗粒的导电复合材料的导电性能。由于自洽模型渗流阈值和试验值有较大的偏差，借鉴GEM模型，在渗流理论和自洽理论基础上，建立修正自洽模型。考虑到鳞片状石墨颗粒属于六方晶系，因此选取导电颗粒为六边形夹杂更符合实际，同时不需要预先假定渗流阈值，因此具有更广的普适性。分析比较各种导电机理，提出基于细观力学的导电机理能够更好的解释导电沥青混凝土的导电行为。　　利用弹性模量预测值进行导电沥青混凝土力学性能有限元数值模拟，计算在不同导电颗粒含量并考虑标准轴载和超载情况下，导电沥青混凝土路面的弯沉、导电层层底拉应力及层间剪应力，从而得出导电沥青混凝土路面力学性能与导电颗粒含量的关系。进一步，利用电导率预测值进行导电沥青混凝土导电性能有限元数值模拟，研究在不同环境温度、输入功率、风速及导电颗粒含量等因素的影响下，导电沥青混凝土路面融雪化冰的效果及其输入的功率变化。　　本文采用细观力学方法预测导电沥青混凝土弹性模量，并将导电颗粒考虑为更符合实际的多边形夹杂进行预测导电沥青混凝土电导率。将预测值应用到导电沥青混凝土力学性能和导电性能的有限元数值模拟，可以降低工程成本同时也可以提高有限元数值模拟的精确性。
作者：	杨怡
专业：	固体力学
导师：	宋固全
授予学位：	博士
授予学位单位：	南昌大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文