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原文传递基于界面弱化的水泥稳定碎石组成优化设计研究

论文题名：	基于界面弱化的水泥稳定碎石组成优化设计研究
关键词：	基层沥青路面;水泥稳定碎石;优化设计;界面弱化
摘要：	半刚性材料凭借优异的承载力和低廉的造价成为我国高等级道路的主要基层，我国目前修筑了全世界最长里程的半刚性基层沥青路面。与此同时，半刚性基层收缩引起的反射裂缝成为我国道路的主要病害之一。为解决该问题，本文从能量演化角度，研究半刚性基层沥青路面反射裂缝的形成机理，建立填充式大粒径水泥稳定碎石（LargeStoneBaseCourseFilledwithCementStabilizedMacadam，F-LSBC）的配合比设计方法，并系统研究其性能。　　首先研究了基层收缩时路面结构的应力状态，并通过有限元模型进行了验证。在此基础上，建立了基层收缩时路面结构的能量演化机制。结果表明，当基层处于线弹性状态时，其收缩完全由自身端部约束限制；当基层丧失强度后，由层间约束和面层端部约束共同限制；当基层处于损伤状态时，由上述三种约束共同限制。对应于上述应力状态，当基层收缩时，外界湿空气的内能输入到基层中，使基层积聚弹性应变能，即能量输入和能量积聚。随着收缩的进行，基层逐渐发生微裂纹损伤，积聚的能量一部分耗散为表面能，另一部分储存在基层中，即能量耗散和能量储存。在层间约束的作用下，基层储存的能量有一部分释放到面层中，另一部分剩余在基层中，即能量释放和能量剩余。基于该能量演化机制，提出面层能量最大值的计算方法，该值越小，越不易产生反射裂缝。并且，通过弱化粗集料界面过渡区可以降低面层能量最大值。同时，基层材料的压缩断裂特征表明，为保证基层承载力，必须增大其内摩阻角，使矿质混合料处于骨架密实状态。　　基于界面弱化理念构造了骨架密实型F-LSBC，将粗集料和细集料分开设计。首先对粗集料和细集料进行了捣实填充试验，确定粗集料粒径和细集料级配。接着，对不同水泥剂量的填充料（细集料，水泥和水）进行击实试验确定其配合比；然后对粗集料和填充料进行击实填充试验，确定二者的质量比例，并最终确定矿质混合料级配。为确定最佳水泥剂量，分别成型不同水泥剂量的填充料试件和F-LSBC试件，进行无侧限抗压试验和劈裂试验。结果表明，当粗集料粒径为19~26.5mm，且细集料最大粒径为2.36mm时，矿料间隙率最小，矿质混合料处于骨架密实状态。虽然水泥剂量不同，但填充料质量始终为粗集料的0.3倍。并且，当填充料最佳水泥剂量为30%时，F-LSBC的无侧限抗压强度和劈裂强度出现转折，此时粗集料骨架提供强度，填充料对粗集料骨架起到支撑作用，填充料与粗集料之间处于弱黏结状态。基于上述研究，提出F-LSBC的配合比设计方法。　　依据上述配合比设计方法制备了F-LSBC并系统研究了其宏微观性能，同时与传统水泥稳定碎石（CementTreatedBase，CTB）进行了对比。首先，通过纳米压痕试验，研究了粗集料界面过渡区的微观力学特性和结构特性。然后，通过无侧限抗压试验，劈裂试验，弯拉试验，疲劳试验，干缩试验和劈裂加载卸载试验研究了F-LSBC和CTB的宏观性能。结果表明，F-LSBC的弹性模量为CTB的60%~75%，硬度约为55%；孔隙率约为1.1倍，F-LSBC界面过渡区厚度为55~90μm，CTB则约为40μm。并且，F-LSBC的无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度和疲劳性能均比CTB差，但抗干缩性能更好。具体而言，F-LSBC的无侧限抗压强度约为CTB的30%~40%；劈裂强度和弯拉强度约为CTB的40%~45%；累计干缩应变和平均干缩系数分别为CTB的81.36%和86.62%。同时，采用F-LSBC基层时，面层能量umax面不到采用CTB基层时的40%，说明前者出现反射裂缝的可能性大幅降低。此外，本文推荐采用聚类分析处理纳米压痕试验数据。因为相比于解卷积分析，前者效率更高，且便于分离出各物相的微观力学性能，有助于进一步研究。　　为将F-LSBC应用到路面结构中，通过ABAQUS软件建立了F-LSBC上基层沥青路面结构有限元模型。基于路面结构S1~S7的力学响应分析，最终推荐路面结构S4，即F-LSBC上基层、CTB下基层和二灰碎石底基层均为20cm。此时，所有上面层以及F-LSBC上基层受压；CTB下基层和二灰碎石底基层受拉，且分别约为各自容许拉应力的50%和75%。
作者：	李靖
专业：	交通运输工程
导师：	赵永利
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021