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疲劳因素对沥青混合料微细观特性影响及跨尺度关联分析
| 论文题名： | 疲劳因素对沥青混合料微细观特性影响及跨尺度关联分析 |
| 关键词： | 沥青路面;沥青混合料;疲劳因素;微细观试验;裂纹扩展演化 |
| 摘要： | 疲劳因素是导致沥青路面损伤的主要原因之一，随着疲劳程度的增加，沥青路面会出现结构强度下降、疲劳裂纹等病害，严重影响了道路的安全性和服役寿命。本文从微细观层面出发，基于沥青混合料微细观试验和沥青路面宏-细-微观多尺度关联模型，对疲劳因素作用下沥青路面各项特性变化趋势进行了研究，主要研究内容如下： 首先，本文分别进行了33000、66000、98000次加载的四点弯曲疲劳试验，模拟实际工况得到四个不同疲劳程度的沥青混合料试件，通过微米划痕试验和纳米压痕试验，获得各个试件断裂韧度和弹性模量的变化趋势，并据此分析了疲劳因素对沥青混合料微观力学特性的影响。其次，建立沥青路面宏观模型，通过分析应力响应，确定了沥青面层的危险区域；基于多尺度关联理论和内聚力本构模型，分别建立了危险区域局部细观模型和考虑材料梯度变化的ITZ区域微观断裂模型，从细观微观两个层面探究了沥青面层的裂纹萌发位置。最后，将微细观试验数据与宏-细-微观多尺度关联模型相结合，同时定义裂纹萌发时间、裂纹扩展度和裂纹扩展速率三种裂纹扩展演化评价指标，通过对比不同模型的计算结果，从时间、程度、速度三个角度评判疲劳因素对沥青路面微细观裂纹演化的影响。 研究表明，ITZ区域参数呈现梯度变化特征，厚度约在10~30μm，从集料向沥青胶浆过渡，断裂韧度与弹性模量由高到低呈梯度变化，试验中未发现疲劳因素对ITZ区域厚度有明显影响。从0次疲劳到98000次疲劳，ITZ区域断裂韧度平均值由0.18MPa?m1/2下降至0.08MPa?m1/2，降幅达到57.79%；沥青胶浆由0.03MPa?m1/2下降至0.02MPa?m1/2，降幅为17.60%；ITZ区域弹性模量平均值由9.37GPa降至7.73Gpa，降幅为17.48%；沥青胶浆由0.33GPa降至0.22GPa，降幅为33.45%；集料则没有明显变化。说明疲劳因素对沥青混合料的影响主要集中在ITZ区域和沥青胶浆，弹性模量和断裂韧度与疲劳程度呈非线性负相关关系，早期的疲劳次数对弹性模量和断裂韧度的影响程度更大。微裂纹通常萌发于集料尖端位置的ITZ区域，随后或沿ITZ或向沥青胶浆继续扩展，最终多条微裂纹扩展连接形成贯穿裂缝。疲劳次数由0次依次增加至33000次、66000次和98000次，裂纹扩展度分别为1.89、3.89、7.14和8.06，依次扩大了约2.05倍、1.83倍和1.13倍，裂纹扩展速率峰值依次为1.68、2.88、4.00和4.08，增幅分别为71.4%、38.9%和2%，说明疲劳因素对裂纹扩展演化的影响较明显，且早期疲劳造成的影响更大。 本文从试验和有限元模型两个方向出发，通过对比材料参数和裂纹扩展演化的变化趋势，讨论分析了疲劳因素对沥青路面微细观特性的影响，为后续研究疲劳因素的影响提供思路和借鉴。 |
| 作者： | 贾大伟 |
| 专业： | 结构工程 |
| 导师： | 付军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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