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原文传递纤维沥青混合料界面黏结--破坏行为及抗裂性能预估

论文题名：	纤维沥青混合料界面黏结--破坏行为及抗裂性能预估
关键词：	纤维沥青混合料;界面黏结性能;破坏模式;抗裂性能;路面使用寿命;耐久性能
摘要：	在沥青混合料中添加纤维，是提高路面耐久性、延长使用寿命的有效途径。纤维的引入形成了大量的纤维-沥青胶浆界面，改变了沥青胶浆性能，影响了沥青胶浆-集料界面性能，这种多重的、复杂的界面行为很大程度上决定了纤维沥青混合料的力学响应，进而影响路面使用寿命和耐久性。然而，纤维沥青混合料界面黏结-破坏行为及其对混合料性能的影响规律尚不明晰。本文采用多尺度研究方法，明晰了纤维-沥青胶浆-集料界面作用机制，探究了界面黏结性能和破坏模式，并考虑界面性能参数及原材料性能指标，基于神经网络建立了纤维沥青混合料开裂预估模型。　　首先，为了探究纤维-沥青胶浆-集料界面过渡区范围、作用行为和机制，借助X射线能量色散谱仪(EDS)和傅里叶红外光谱(FTIR)等微观尺度方法表征了界面特征元素梯度分布及微结构变化规律。研究结果表明：不同纤维-沥青胶浆界面过渡区宽度在3.5-4.5μm,按宽度排序为聚酯纤维＞玄武岩纤维＞玻璃纤维，不同集料-沥青胶浆界面过渡区宽度在30-40μm,按宽度排序为石灰岩＞玄武岩＞花岗岩。在微结构方面，发现沥青粘结剂主要以饱和脂肪族和脂环族结构形式存在，芳香族结构形式较少，随着纤维、矿料的加入，沥青中亚砜基官能团指数增大。纤维-沥青胶浆-集料界面作用主要以物理吸附为主，无显著的化学键合作用。　　其次，为了量化纤维-沥青胶浆界面黏结-破坏行为，自主构建了包括微拉伸系统、数据采集系统、控温系统和显微系统的微力学试验平台，研究确定了试验拉伸速度为1mm/min,据此开展单丝纤维-沥青胶浆拔出试验。研究表明：玄武岩纤维与沥青胶浆荷载-位移曲线的峰值荷载最大，聚酯纤维的峰值位移最大，基于Popovics方程建立了界面黏结-滑移模型，相关系数超0.89,并借助显微系统首次可视化了纤维在沥青胶浆中粘弹变形、软化+脱粘、脱粘3阶段微力学行为。在试验条件范围内，玄武岩纤维与沥青胶浆界面剪切强度最大，玻璃纤维次之，聚酯纤维最低，改性沥青胶浆与纤维的黏结性能优于基质沥青，界面剪切强度随着温度的降低逐渐越大。基于剪滞理论的应力传递行为分析和试验研究，发现界面破坏主要有纤维拔出、纤维拉断、基体失效3种模式，在较高温度下以基体失效为主，在较低温度下以纤维拉断为主，并建立了不同破坏模式发生准则(临界温度)。此外，基于表面能理论计算了纤维-沥青胶浆界面黏附功，并对界面黏结性能的试验值与理论值进行了相关性分析。　　再次，为了表征纤维沥青胶浆-集料界面黏结-破坏行为，基于拉拔试验和数字图像技术开展了界面黏结性能和破坏模式研究。结果表明：纤维的添加对沥青胶浆-集料界面黏结强度具有改善作用，其中显著增加了内聚强度，但对黏附强度有一定负面影响。受界面破坏模式的影响，沥青种类对界面黏结强度的影响规律在不同温度条件下并不一致。集料类型对界面黏结强度具有一定影响，其中石灰岩集料最优，玄武岩集料、花岗岩集料次之。试验温度对界面黏结强度影响非常显著，-10℃条件下沥青胶浆-集料界面黏结强度在3.44-8.01MPa,远大于25℃条件下0.42-0.91MPa。低温条件下沥青胶浆-集料界面主要以内聚破坏为主，中温条件下SBS改性沥青胶浆-集料界面主要以混合破坏为主。　　然后，基于低温拉伸、温度扫描、频率扫描试验研究了纤维对沥青胶浆性能影响规律，量化了纤维与沥青胶浆交互能力。研究表明：纤维可显著提升低温状态下沥青胶浆极限拉力及拉伸断裂能，改性沥青胶浆由“脆性破坏”转变为“延性破坏”，玄武岩纤维在提升极限拉力方面优势最大，聚酯纤维在提升拉伸断裂能方面优势最大。添加纤维后沥青胶浆的相位角降低、车辙因子提高，聚酯纤维提升效果显著。不同类型纤维沥青胶浆复数剪切模量在低频条件下差异更显著，复数剪切模量系数可以很好地表征纤维与沥青胶浆的交互作用能力，且受到试验温度、纤维类型等因素影响。　　最后，通过圆盘拉伸试验研究了纤维沥青混合料抗开裂性能，建立了基于界面性能及材料指标的混合料断裂能预估模型。结果表明：添加纤维后沥青混合料试验结束时开口位移增大，延性提升。纤维、沥青、集料和级配类型等均对纤维沥青混合料抗裂性能有影响，纤维的添加、改性沥青的应用、偏碱性集料的选择都会提高纤维沥青混合料断裂能，且最大公称粒径较小的混合料抗裂性能更优。结合界面剪切强度、界面黏结强度、沥青有效温度区间、沥青胶浆复数剪切模量、最佳油石比、纤维模量及集料最大公称粒径指标，构建了包含7个输入、1个输出、8个隐藏层的神经网络结构，建立的预估模型精度超0.94,可从界面角度很好地预测混合料抗开裂性能。　　研究成果为纤维沥青混合料的高性能设计及应用提供理论基础和科学指导。
作者：	娄可可
专业：	土木工程
导师：	肖鹏
授予学位：	博士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2023