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原文传递基于能量平衡力学法的沥青疲劳损伤特性及进程表征

论文题名：	基于能量平衡力学法的沥青疲劳损伤特性及进程表征
关键词：	沥青路面;疲劳损伤;能量平衡力学法;老化基质
摘要：	沥青面层的疲劳开裂是当前沥青路面病害的一大主要形式，而混合料中沥青胶结剂的抗疲劳性能对于沥青路面面层的疲劳开裂起到重要控制作用。本文以沥青的疲劳损伤为研究主体，旨在提出合理、可靠的沥青疲劳损伤表征指标，以此为基础探究沥青疲劳损伤进程的规律性，并将相应理论应用于评价、比较不同种类、不同老化程度沥青的疲劳损伤特性，从而揭示沥青疲劳损伤的内在机理与发展特性，为沥青路面疲劳病害的研究与防治提供一定参考价值。主要内容如下: 　　引入能量平衡力学法，建立沥青试样在剪切加载过程中表观力学指标与真实力学指标的联系，进而推求损伤密度与单位体积的伪耗散应变能(DPSE)的表达式。以损伤密度量化沥青的损伤程度，以DPSE衡量沥青抗疲劳损伤性能。与现有指标相比，二者考虑了沥青受载过程中的非线性，并将粘弹性耗能与真实损伤耗能相分离，具有较高的准确性与较强的直观性。　　借助动态剪切流变仪在三种温度和三种应变水平下开展了两种基质沥青的时间扫描试验，并将计算得到的损伤密度与实测损伤密度进行比对，验证了损伤密度指标用于评价沥青损伤程度的有效性与可行性。通过观察DPSE、损伤密度、相位角等指标在疲劳损伤过程中的变化趋势，本文将沥青的疲劳破坏过程分为三个阶段:(1)边缘流变阶段，(2)Ⅲ型开裂阶段和(3)混合型开裂阶段。在疲劳损伤的第三阶段结束时，相位角变化趋势再次发生转变并开始振荡，这表明沥青试样失去了稳定承载的能力，此处被定义为疲劳破坏点。根据物理定义，各加载周期DPSE之和∑DPSE是沥青疲劳损伤的真实总耗能，与沥青的疲劳损伤过程直接相关。基于此，本文提出将∑DPSE用于表征抗疲劳损伤性能，发生破坏时越高，意味着材料在疲劳荷载作用下发生破坏所需的能量越多。试验结果显示，疲劳损伤不同阶段的∑DPSE具有明显的线性相关性，这表明疲劳损伤的各阶段在能量消耗方面的占比是固定的。　　开展改性沥青与老化后沥青的时间扫描试验，验证基于两种未老化基质沥青试验得到的疲劳损伤发展规律对改性沥青与老化后沥青的适用性。试验表明，改性沥青与老化后沥青的疲劳损伤仍呈现出明显的三个阶段，各阶段的∑DPSE仍具有线性相关性，本文所得到的疲劳损伤表征方法与疲劳损伤发展规律具有较强的泛用性。　　从损伤密度发展趋势与损伤阶段组成角度分析了不同种类沥青疲劳损伤性能的差异性以及老化程度对沥青疲劳损伤特性的影响规律。改性沥青试验表明:改性沥青的损伤密度发展速率明显低于基质沥青;相比于基质沥青，改性沥青疲劳损伤的第一、二阶段在疲劳损伤进程中的占比更低，这表明改性剂的引入能够有效抑制沥青裂纹的联通扩展。老化后沥青试验表明:老化处理后沥青的损伤密度发展明显加快，且长期老化作用强于短期老化;老化处理后，沥青疲劳损伤各阶段的∑DPSE均有所衰减，且疲劳损伤第一、二阶段的衰减幅度大于第三阶段，这表明老化处理后，沥青更易发生裂纹的萌生与前期扩展。
作者：	闫伟卓
专业：	道路与交通工程
导师：	罗雪
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2021