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原文传递钢桥面铺装用热固性环氧沥青混凝土压实机理研究

论文题名：	钢桥面铺装用热固性环氧沥青混凝土压实机理研究
关键词：	环氧沥青混凝土;钢桥面铺装;压实机理;固化特性
摘要：	环氧沥青混凝土在压实过程中不但会发生沥青与矿粉间的浸润作用、沥青砂浆内部的粘滞作用、沥青砂浆与集料间的黏附作用以及集料之间的接触作用等，还包括环氧沥青特有的热固化反应。钢桥面铺装特殊的设计要求和施工条件下，环氧沥青混合料会发生由过度固化、固化不均匀、混合料离析等特殊工况导致的压实质量问题。基于此，本文开展钢桥面铺装用环氧沥青混凝土的压实机理研究。从现有研究来看，在多尺度研究方面，二维数字图像处理技术缺乏对小粒径、细级配混合料的针对性，宏观方法与细观方法的衔接不够紧密;在力学分析方面，基于连续介质假设的有限元方法难以适用，而基于离散介质假设的方法在不规则集料的生成、砂浆建模、热态混合料的接触模型等方面还有待发展;在现场施工研究方面，主要采用室内外宏观试验研究方法，鲜有涉及环氧沥青混凝土在钢桥面铺装特殊工况的压实施工研究以及材料固化特性对压实质量影响的细观作用机理研究。为此，本文主要从钢桥面铺装用环氧沥青混凝土压实特征的多尺度研究、压实的细观摩擦学机理、离散元仿真分析以及现场压实特殊工况分析四个方面进行了研究。　　首先，采用旋转粘度试验、基于动态剪切流变试验平台的胶浆粘度试验以及旋转压实试验，分别研究了环氧沥青、胶浆和混合料在100℃、110℃、120℃三种温度下的热固化特性以及宏观压实特征。利用双Arrhenius粘度模型分析了等温热固化反应的三个阶段，根据钢桥面铺装用环氧沥青混凝土的压实曲线划分了其设计压实阶段，提出了设计压实功参数，建立了设计压实功与容留时间的二次函数关系。　　在此基础上，采用切片光学扫描方法获得了环氧沥青混凝土压实试件内部细观图像，开发了一种自适应极值抑制算法，依据距离变换结果进行分层灰度极值抑制，再将其与最大类间方差二值化、形态学重构填充和分水岭算法进行优化组合，形成了一套适用于粒径较小、细颗粒较多沥青混合料的切片图像分割识别技术，有效地解决了环氧沥青混凝土图像识别中的颗粒粘连、过度分割等问题，并分析了集料颗粒的倾角和分布特征，由此构成了环氧沥青混凝土压实特征的多尺度研究方法。　　其次，分析了沥青混合料的固体-流体-固体细观接触结构，提出了集料接触面积比率、平均接触角度以及邻近区域砂浆膜厚度三个细观结构特征参数，设计了一种基于边界像素窗口搜索算法的参数提取方法，得到了压实荷载持续作用下细观结构参数的变化规律，建立了环氧沥青（环氧胶浆）粘度与设计压实功、集料接触面积比率、砂浆膜厚度等宏、细观参数之间的关系，并引入Stribeck曲线理论，揭示了砂浆粘度影响细观接触润滑状态从而改变宏观压实特征的作用机理，得到了钢桥面铺装用环氧沥青混凝土最易压实的沥青粘度区间为100cP～300cP，胶浆粘度区间为100Pa·s～200Pa·s。　　第三，采用基于球体随机顶点生成方法和中面内切球体填充方法按级配分档生成了不规则集料颗粒集合，拓展集料颗粒尺寸生成了砂浆裹覆集料的混合料颗粒，再由重力沉积法生成沥青混合料松散堆积离散元模型。此外，设计了一种由平行粘结模型和Burgers黏弹模型组成的两阶段离散元细观接触模型，通过仿真试算和神经网络参数反演得到了不同固化程度松散热态环氧沥青混凝土的细观接触模型参数值，并利用旋转压实仿真试验研究了混合料颗粒移动、孔隙分布以及颗粒受力特征。　　最后，分析了钢桥面铺装用环氧沥青混凝土压实施工出现的混合料压实质量不稳定、结团、松散以及表层泛油等特殊现象，通过建立现场压实的离散元仿真模型，得到了在轮碾作用下环氧沥青混凝土颗粒的速度、位移、受力特征;通过改变细观接触模型参数，混合料分区沉积等方法，模拟了混合料在过度固化、不均匀固化、颗粒离析等条件下的现场压实过程。研究发现，当环氧沥青混凝土固化度较高时，相同荷载重复碾也难以使其密实度进一步提升;结团料的推挤作用会破坏周围已经形成的密实结构，且上层结团料的影响大于底层结团料;混合料竖向离析程度的增加会减弱压实质量的稳定性;压实荷载在向下传递时会出现衰减，过多碾压会导致表层砂浆被粗颗粒挤压分离，出现泛油的现象。
作者：	杨宇明
专业：	交通运输工程；道路与铁道工程
导师：	黄卫;钱振东
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文