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原文传递灌入式半柔性路面材料力学行为的宏细观研究

论文题名：	灌入式半柔性路面材料力学行为的宏细观研究
关键词：	灌入式半柔性路面材料;密实-骨架嵌挤;粘弹性沥青界面;力学行为;破坏模式
摘要：	灌入式半柔性路面材料（semi-flexiblepavement，SFP）指的是由特制水泥砂浆灌注大空隙沥青混合料（PorousAsphalt，PA）母体而形成的新型筑路材料，其母体空隙率一般在20%至30%之间。SFP因其良好的抗车辙性能而日益受到关注，却也因为易产生开裂病害而推广受阻。本文从其密实-骨架嵌挤的结构特性和粘弹性沥青界面相着手，在微细观层次对半柔性路面材料的刚度构成机理、沥青界面相特性和损伤破坏过程等方面进行研究，在此基础上明确了半柔性路面材料双骨架嵌挤的结构特性和不同温度下的破坏模式，可为半柔性路面材料的材料组成优化提供依据。本文开展的主要工作和相应的研究成果如下：　　（1）基于复合材料细观力学模型框架，通过在沥青界面相的2S2P1D本构模型中引入弹性和粘弹性嵌挤因子，建立考虑骨架嵌挤作用的SFP动态模量二相和三相细观预测模型，量化了由不同级配母体灌浆成型的SFP的刚度组成，证明了灌浆水泥次级骨架的存在，并且评价了其对整体刚度的贡献。结果表明，双骨架之间的嵌挤作用占整体嵌挤作用的1/15至1/6，对SFP的刚度有着不可忽视的贡献，在数值模拟过程中不应被忽视。　　（2）通过电镜扫描及能谱分析技术、纳米压痕测试分别从微观形貌、化学成分和力学模量三个方面表征了沥青界面相及其与集料相、水泥相的交界处所存在的界面过渡区，并在此基础上修正了细观力学模型。同时，从模型中提取了考虑嵌挤和压实作用的沥青相等效粘弹性参数，与纳米压痕原位蠕变测试结果进行了对比验证，结果表明所提取的等效沥青层模量是可靠有效的建模参数。　　（3）借助CT扫描获取了SFP内部的细观结构，利用图像处理技术统计了不同级配SFP的接触特性。在此基础上，提出了有效水泥-粗集料接触(水泥充当骨架)和无效水泥-粗集料接触(水泥仅充当胶结料)的区分方法，统计发现有效接触的数量为所有水泥-粗集料接触的1/6左右；并定义了基于接触统计的嵌挤指标，与细观力学模型中的嵌挤因子进行对比，发现两者之间具有良好的线性相关性。进一步地，建立刚度预测模型所需要的嵌挤因子输入参数可由细观接触特性描述获得。　　（4）利用声发射（AcousticEmission，AE）技术监测SFP及其PA母体的单轴压缩破坏过程，研究了灌浆水泥和沥青中木质素纤维的掺入对材料整体力学性能和AE信号的影响。结果表明纤维的加入可以抑制SFP的加速剪切破坏，且三种级配中SFP25结构最稳定。同时基于AE能量构建了Weibull损伤演化方程，发现方程中的参数分别与异质性、骨架嵌挤作用具有相关性。　　（5）利用AE技术监测SFP在不同温度下的劈裂过程，通过聚类分析方法对所采集到的AE数据进行了分类。结合破坏后的CT断面图推断了细观损伤机理，以此为依据实现了AE信号的损伤源识别，发现SFP的开裂破坏也存在温度效应：随着试验温度的上升，SFP的破坏模式从贯穿横截面的主裂缝向分布式的细观裂纹过渡，发生破坏的区域从界面的黏附破坏、集料破碎向水泥、沥青的胶结料内部粘聚破坏过渡。　　（6）基于考虑嵌挤、压实作用的沥青层等效模量，进行了细观代表单元的动态模量试验模拟，计算了动态模量和相位角主曲线，利用室内试验进行了验证；在此基础上建立了细观直接拉伸有限元模型，通过批量插入内聚力模型单元表征损伤，通过与（5）中总结的破坏规律对比验证了模型的有效性。对水泥力学参数进行了敏感性分析，发现在现有沥青混合料母体情况下进行材料优化，应将水泥抗拉强度调控到3.5MPa以上，杨氏模量在10000MPa左右。
作者：	蔡星
专业：	交通运输工程
导师：	杨军
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021