详情

原文传递沥青混合料水分扩散行为及多尺度损伤特性

论文题名：	沥青混合料水分扩散行为及多尺度损伤特性
关键词：	沥青混合料;损伤特性;水分扩散;分子模拟;界面胶浆
摘要：	实际沥青路面中水分扩散行为的普遍性、长期性和隐蔽性使得服役于自然环境中的沥青路面材料不可避免的受到水分扩散侵蚀作用，由此造成的沥青混合料力学性能劣化和耐久性衰减问题不可忽略。水分通过扩散作用进入混合料内部后，与组分材料长期作用造成不同尺度水损伤行为。纳观尺度下水-沥青-集料分子相互作用，改变沥青-集料分子间非键势能，引起体系纳观结构变异；微观尺度下含水纳观结构演化造成胶浆-集料界面及体相流变性质劣化，产生微观界面黏附缺陷；细观尺度下微观界面缺陷积累及性质持续劣化，改变混合料细观力学行为，引起混合料微裂纹产生；宏观尺度下水损伤混合料力学性能和承载力衰减。多尺度的混合料材料组成导致水分扩散损伤具有显著多尺度特征。单一尺度研究方法无法深刻理解尺度间水分扩散损伤演化的关联性，难以揭示混合料水损伤发生及演化规律。针对目前缺乏混合料多尺度水分扩散损伤系统研究的现状，本文从纳观分子交互、微观界面损伤、细观力学行为和宏观性能衰减方面，着重研究多尺度下AC-13类沥青混凝土中水分扩散损伤的发生机制及演化行为，初步建立不同尺度间水分扩散损伤的关联性。　　长期水分作用诱发纳观分子体系结构变异，为揭示纳观分子体系水损伤机理，借助分子动力学研究了含水沥青-集料及沥青体系纳观结构重组及分子交互行为。模拟结果表明，水分子侵入沥青-集料体系后形成水分聚集体，破坏了原有胶体结构，引起强极性沥青分子迁移，形成沥青-水-集料分子“三边排布”或层状排布结构。重组结构增大了沥青与集料分子间距，阻隔了沥青与集料分子间的非键交互作用，产生了沥青-集料纳观黏附损伤。结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）及原子力显微镜（AFM）测试结果，发现水分长期作用引起沥青强极性组分的物理迁移行为，产生沥青-集料界面过渡区收缩及微坑槽侵蚀形貌，验证了纳观强极性分子迁移及胶体结构重组。　　含水纳观结构诱发微观界面缺陷，为研究水分作用下微观胶浆-集料界面及体系性质劣化，需提出微观界面性质表征指标。基于胶浆-集料微观界面影响下胶浆流变行为，研究微观界面对胶浆力学性质的影响机制。通过引入指数型胶浆模量空间分布函数，建立考虑微观界面影响的胶浆流变模型，有效分离了界面胶浆模量及体相胶浆模量，进而研究不同水分作用下界面及体相胶浆性质劣化。结果表明，潮湿集料表面不会显著降低界面胶浆流变性质，但长期浸水作用导致体相胶浆模量增大且相位角减小。采用胶浆微观力学理论分析，发现体相胶浆流变劣化归因于沥青硬化及等效矿粉浓度增大。微观界面水膜阻隔纳观沥青-集料分子交互，产生微观界面黏附缺陷，显著降低微观界面黏附强度。　　水分-微孔壁分子交互显著影响砂浆微孔水分扩散行为，为准确获取砂浆中水分扩散关键参数，考虑微观孔隙中气相流、表面流或毛细凝结流水分扩散基本形式，结合砂浆微观水蒸气吸附特性，提出微观尺度砂浆中含吸附水膜扩散模式和毛细凝结水分扩散模式。采用稳态穿透法测试了不同浓度梯度及不同厚度砂浆水分扩散行为，发现不同水分浓度梯度下砂浆水分扩散行为满足含吸附水膜扩散模式，不同厚度砂浆中水分扩散行为符合毛细凝结水分扩散模式。引入砂浆微孔水分扩散参数，建立沥青混合料细观水分扩散模型，探究混合料中水分浓度依赖型细观扩散行为。结果表明，水分浓度依赖型水分扩散中归一化水分浓度和扩散通量依赖于水分浓度边界条件，扩散系数随时间呈指数型衰减，解释了现有研究中混合料时变非菲克水分扩散行为。　　AC-13类沥青混合料中扩散水分长期作用产生微观界面和体相性质劣化，建立含微观水损伤的混合料细观力学模型，研究水损伤下混合料细观力学行为演化。结果表明，水损伤混合料局部应力增大、应变相对稳定，集料边缘应力集中现象加剧。采用数字散斑方法观测了半圆切口梁开裂试验中混合料细观应变场演化，发现水损伤增大了高应变区面积，导致混合料产生大量微裂纹，水损伤下混合料宏观抗拉强度和J积分断裂韧性显著衰减。　　沥青混合料多尺度水分扩散损伤机制大致总结为：纳观尺度沥青-水-集料分子交互破坏干燥体系纳观胶体结构，形成沥青-水-集料纳观交互结构和含水沥青胶体结构，造成沥青力学特性及沥青-集料纳观黏结的劣化；微观尺度界面水膜阻隔沥青-集料交互作用，产生界面黏附水损伤；同时含水纳观结构破坏胶浆微观结构，产生胶浆力学性质劣化；细观尺度水损伤混合料界面过渡区砂浆应力集中加剧，而微观界面黏附水损伤导致界面过渡区砂浆强度降低，使得水损伤界面过渡区砂浆承载力减小，导致宏观尺度混合料整体抗裂性能衰减。结合混合料多尺度水分扩散损伤机制，通过调节材料纳观组成、优化胶体结构、改善界面黏附及优化混合料细观结构等措施，能够改善混合料抗水分扩散损伤能力并提高路面耐久性。
作者：	刘志杨
专业：	道路与铁道工程
导师：	董泽蛟
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020