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原文传递半柔性复合材料性能强化机制及关键技术研究

论文题名：	半柔性复合材料性能强化机制及关键技术研究
关键词：	半柔性复合材料;性能强化机制;水泥-沥青界面特征;疲劳损伤演化;路面结构优化
摘要：	半柔性复合材料是一种将水泥灌浆材料注入大空隙基体沥青混合料而得到的新型路面建筑材料，其具有良好的性价比和路用性能，研究意义和推广价值显著。本研究旨在基于室内试验、数值模拟与理论分析相结合方法，从水泥灌浆材料、大粒径基体沥青混合料、水泥-沥青界面特征这三个层面揭示半柔性复合材料性能强化机制，达到提升半柔性复合材料工程特性的目的。　　研发了基于纳米SiO2增强的高性能水泥灌浆材料（HCGM），并基于多输出支持向量机和贝叶斯推理实现了HCGM的不确定性评估与优化，得到材料最优组成为：水灰比0.56、减水剂1.0％、速凝剂2.3%、膨胀剂9%、纳米SiO22%。　　从微观结构和水化产物的角度揭示了HCGM的性能强化机制，并分析了硫酸盐侵蚀环境对其的影响，主要表现为：①纳米SiO2与C2S关联性不大，其主要参与C3S的水化反应，并加速CH晶体的生成，从而使其以更快的速率达到饱和，促使C-S-H凝胶的提前生成；②纳米SiO2不改变HCGM中水化产物的类型；③Na2SO4中的SO42-离子会在侵蚀初期与CH晶体生成硫酸钙石膏晶体，HCGM强度反而较未侵蚀略有上升，但随Na2SO4溶液浓度和侵蚀时间的增加，SO42-离子妨碍了CH与纳米SiO2水化生产C-S-H凝胶，相对脆弱的CH晶体大量累积形成层状结构并被SO42-离子侵蚀破坏，造成HCGM抗折强度的降低；MgSO4溶液中的镁离子与CH晶体生成氢氧化镁，在侵蚀早期会附着在HCGM表面，延缓SO42-离子进入HCGM内部，但随着MgSO4溶液浓度和侵蚀时间的增加，不仅C-S-H凝胶的生成受到SO42-离子的阻碍，氢氧化镁还会消耗大量CH晶体生成无胶结性的M-S-H凝胶，致使HCGM的抗折强度衰减；相较于抗折强度，侵蚀时间和盐溶液浓度对抗压强度的影响并不显著。　　开发了集料结构强度测试系统及其DEM数值模拟方法，分析了关键粒径集料对大空隙基体沥青混合料（LVAM）空隙率和集料结构强度的影响，提出了基于集料结构强度的LVAM强骨架级配，进而从细观接触力分布和演化的角度揭示了LVAM集料结构强化机理，主要表现为：①LVAM集料结构可视为由强接触力和次强接触力（尤其是强接触力）组成的力学网络传输体系，弱接触力对集料结构几乎没有贡献；②集料结构接触点与其稳定性并没有必然关联，过多的接触点只会带来大量弱接触力；进而，探究了不同粒径集料对LVAM集料结构强度的贡献，发现：①9.5~13.2mm集料提供了大量强接触力，是构成集料骨架结构的主体；②4.75~9.5mm集料在集料结构中的作用是促使由9.5~13.2mm集料提供的次强接触力向强接触力转化；③1.18~4.75mm集料主要提供弱接触力，对集料结构强度贡献不大。　　提出了基于阳离子乳化沥青的HCGM与LVAM水泥-沥青界面强化技术，并最终形成了高性能半柔性复合材料（HSFCM）。路用性能分析表明：HSFCM具有优秀的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗疲劳性能，其动稳定度可达40000次/mm以上。同时，通过永久变形相对变化率实现了HSFCM的疲劳损伤定义，并以此提出了HSFCM的三阶段疲劳损伤演化解析，建立了基于损伤平稳值的HSFCM疲劳预测方程，决定系数达到0.99以上，预测效果良好，明显优于传统疲劳预估方程。在此基础上，结合现行路面设计规范，揭示了不同路面结构与材料参数对HSFCM路面结构力学响应的影响，提出了不同工况下HSFCM路面力学响应的关键控制指标，并以力学响应和经济性最优为原则，推荐了优选的HSFCM路面结构形式。进而，针对HSFCM独特的结构特征和材料性能，提出了HSFCM的施工技术和质量控制方法，并在浙江省嘉兴市洪三公路铺筑试验路验证了其工程可靠性。
作者：	徐寅善
专业：	道路与铁道工程
导师：	蒋应军
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022