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沥青集料细观损伤模型及混合料疲劳数值试验
| 论文题名： | 沥青集料细观损伤模型及混合料疲劳数值试验 |
| 关键词： | 沥青混合料;路面工程;离散元法;疲劳损伤;数值试验 |
| 摘要： | 沥青路面的疲劳病害是导致我国公路耐久性问题突出的主因之一，也是我国长寿面路面研究需要攻克的重要难题。沥青混合料的室内疲劳试验中，由于试验环境以及试验仪器的限制，往往无法充分考虑多种试验因素，且存在试验成本高、耗时较长、不能获得其疲劳破坏的演化机理等问题。因此借助离散元数值试验方法，结合室内微细观疲劳损伤试验和宏观四点弯曲疲劳试验，综合研究沥青混合料在疲劳过程中的损坏机理是一种行之有效的手段。本论文主要工作及结论如下： （1）基于DMA试验方法，设计研发了一套用于测试集料-沥青粘附性试件抵抗疲劳损伤性能的设备及流程，可用于测试尺寸为20mm*20mm*21mm的粘附试件的粘附性能及抵抗循环荷载作用的能力。研究发现：石灰岩的粘附力在25℃时要高于玄武岩2.5%，高于花岗岩7.9%；在35℃时三种试件粘附力接近，且相差小于1.5%。加载频率在5~15Hz之间时，三种粘附试件的疲劳寿命均有所升高，其中石灰岩升高36.8%，玄武岩升高34.6%，花岗岩升高45.6%。在不同应力水平条件下，应力水平每升高0.01，石灰岩疲劳寿命平均降低4.04%，玄武岩疲劳寿命平均降低2.48%。 （2）参考已有疲劳损伤模型的研究，结合试验过程中不同集料弹性模量衰减规律，提出了一套综合考虑温度，频率，荷载水平影响的集料-沥青粘附试件疲劳损伤模型。在参数分析过程中发现，在温度低于临界疲劳温度时沥青粘附试件很难发生疲劳损伤，证明了在低温环境中，沥青混合料的疲劳开裂更有可能发生在沥青砂浆中，该值体现了不同粘附试件在温度变化时的抗疲劳性能，其中该值石灰岩为12.5，玄武岩为13.5，花岗岩为10.8。 （3）利用三维离散元接口程序将所得疲劳损伤模型用于接触模型，建立了沥青混合料四点弯曲疲劳数值试验模型，，完善了加载模式（应变控制）及加载环境的程序控制。研究模拟了不同的试验温度(15~45℃)、不同的内部孔隙率（4~8%）、不同应变水平(400~800με)、不同加载频率(5~15Hz)以及不同骨料类型(玄武岩、花岗岩和石灰岩)下的沥青混合料疲劳数值试验，并实现了对多级等幅荷载下疲劳实验的模拟。 （4）通过沥青混合料四点弯曲数值试验，分析了数值样本的接触信息、颗粒移动量、移动角变化以及力链发展规律。加载初期力链方向主要处于60~120°，240~300°，分别占比为34.5%和37.5%，加载末期力链方向集中于75~105°，255~285°，占比分别为38.7%和42.2%。沥青混合料损伤带发展由加载杆处开始，逐渐拓展宽度及高度，并在损伤带深度超过25mm时，数值样本劲度模量迅速下降，损伤带深度发展至38.7mm处时，四点弯曲试验样本发生疲劳失效。沥青混合料的疲劳现象受骨料与沥青间粘附性能损伤的影响，表现为损伤带的拓展以及试件疲劳过程中中部位置集料移动量上升。 |
| 作者： | 倪少伟 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 王智超 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湘潭大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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