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原文传递半柔性固化道床力学特性分析及材料抗裂性能研究

论文题名：	半柔性固化道床力学特性分析及材料抗裂性能研究
关键词：	固化道床;力学特性;半柔性材料;抗裂性能
摘要：	固化道床由散粒体道床在灌注或喷洒固化材料固结后形成。由于有砟轨道存在维护间隔短且维护费用较高的问题，固化道床可作为一种相对经济性的替代优化方案。目前常用的聚氨酯固化道床存在永久变形较大、耐久性较差的缺陷。半柔性材料是在大孔隙沥青混合料中灌入有特殊性能水泥基灌浆而制成的一种复合材料，具有较高的承载能力以及优异的抗车辙性能，已经大量运用于交叉口、公交站台、停车场、加油站等特殊路段。由于半柔性材料优异的抗永久变形能力，国内研究者欲该材料推广应用于固化道床，制成半柔性固化道床。然而，半柔性材料应用至固化道床中还有尚未解决的问题，需要明确半柔性固化道床的水平稳定性以及垂向稳定性是否满足规范要求以及半柔性固化块受力特性，并对半柔性材料的受力特性进行专项研究。　　首先，本研究对道床支承刚度、横向阻力、纵向阻力的现场测试进行模拟，并分析固化材料、轴距、轴数对轨道结构位移与变形的影响。由此得到半柔性固化道床的支承刚度和计算与之匹配的扣件刚度，确定半柔性固化块底部受到弯拉作用。因此，本文针对半柔性材料重点展开细观试验以及细观模型研究，通过不同参数的敏感性分析，为半柔性固化道床的材料优化设计提供指导。　　其次，进行半柔性材料三点弯曲试验，采用数码相机全程录制试验过程，统计小梁试件出现开裂的位置，研究半柔性材料裂缝扩展规律。试验结果表明，最容易出现裂缝的位置为集料-沥青界面，水泥浆体内部次之，集料-水泥浆体界面、水泥浆体-沥青界面和沥青胶浆不易出现裂缝。　　再者，建立半柔性材料细观异质模型，模拟三点弯曲试验，并对比试验结果与模拟结果，研究半柔性材料组分的断裂参数对整体抗裂性能的影响。分析结果表明沥青砂浆较高的断裂强度保证了半柔性材料在断裂之前能够承受更大的荷载以及加载位移，但达到峰值载荷后，开裂强度越大的小梁荷载下降的速率越快，这表明沥青砂浆的强度增长会加快裂纹扩展速率。增加沥青胶浆断裂能改善峰值载荷的效果有限，但会延缓小梁峰值荷载出现，降低峰值载荷后的裂纹扩展速率；此外，半柔性小梁的峰值荷载以及出现峰值荷载的位移对水泥浆体的强度、断裂能敏感性较低。　　最后，基于随机投放和内聚力模型提出了一种半柔性材料细观异质模型的构建方法，研究集料棱角性、集料空间分布以及孔隙率对半柔性材料抗裂性能的影响。结果显示粗集料的棱角性会影响半柔性材料中局部区域的裂缝萌生、演化以及扩展方向，但对整体裂缝的扩展方向影响较小。在相同加载位移条件下，含六边形集料的半柔性小梁最大拉应力大于含圆形集料的半柔性小梁的最大拉应力，棱角性较好的半柔性混合料更容易产生应力集中现象，因此，半柔性材料设计中不能过分追求集料的棱角性，裂缝扩展路径对粗集料的空间分布非常敏感；半柔性材料中，孔隙对裂缝的扩展方向影响较大，与集料-沥青胶浆界面相比，半柔性材料中的孔隙更为薄弱，裂缝更倾向于朝着孔隙扩展；孔隙对峰值荷载有较大的影响，峰值荷载随孔隙率的增大而减少，3%的孔隙率相较于7%的孔隙率，小梁峰值荷载提高了32%；此外，孔隙率对达到峰值荷载的位移也有影响，3%的孔隙率相较于7%的孔隙率，小梁达到峰值荷载的位移由2.0mm增加到2.4mm，因而，提高半柔性材料灌浆率对提高半柔性材料的抗裂性能尤为重要。
作者：	莫振辉
专业：	交通运输工程
导师：	张磊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021