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原文传递土工合成材料加筋沥青混合料的力学行为研究

论文题名：	土工合成材料加筋沥青混合料的力学行为研究
关键词：	沥青混合料;土工合成材料加筋;路面工程;车辆荷载;力学性能
摘要：	随着经济的发展，交通量和行车荷载逐年递增，沥青路面的负担日益加重，病害问题频繁发生。传统的沥青路面修复方法是对病害位置进行铣刨并重新铺筑沥青层，然而从长远来看，这种处置方式代价昂贵，会造成环境污染而且容易产生病害的反复。当前许多研究表明在沥青层中使用土工合成材料加筋可以提升沥青路面力学性能，增强其抗病害能力延长沥青路面使用寿命。目前，虽然土工合成材料对沥青混合料的加筋作用被研究者们在各个方面进行了验证，但对加筋沥青混合料的力学行为仍然缺乏深入系统的研究。　　本文采用室内试验、数值模拟和理论分析相结合的方式从细观与宏观的角度研究土工合成材料加筋沥青混合料的力学行为，主要研究内容及结论如下：　　（1）通过弹性力学基本理论推导出土工合成材料对沥青混合料的加筋作用力，并基于加筋作用力的影响因素设计了12种土工合成材料对沥青混合料的加筋方案。而后进行上述12种加筋方案下的车辙试验、弯曲蠕变试验以及劈裂疲劳试验来评估各个加筋方案的抗车辙性能、抗反射裂缝性能以及抗疲劳性能。研究发现，土工合成材料加筋能够提升车辙轮碾寿命和疲劳寿命，降低弯曲蠕变速率，土工格室的加筋效果优于土工格栅，设置SBS改性沥青黏结层的加筋效果略优于环氧改性沥青黏结层，中层加筋时的抗车辙性能与抗疲劳性能优于下层加筋，而下层加筋时的抗反射裂缝性能优于中层加筋。　　（2）采用上述最优加筋方案制备沥青混合料的加筋试件，而后进行5℃、20℃、35℃和50℃时浸水前与浸水后的单轴压缩试验，-10℃、5℃、15℃和25℃时的间接拉伸试验，冻融循环试验，以及5℃、15℃和25℃下应力比为0.3、0.4、0.5和0.6时的疲劳试验，进而分析土工合成材料加筋沥青混合料在不同温度下的拉压特性，常温与低温环境下的水稳定性，以及不同温度与荷载下的疲劳特性。试验结果表明，加筋沥青混合料的拉压强度和疲劳寿命均随着温度的升高而降低，而其加筋提升率则随着温度的升高而增大，此外，土工合成材料的加筋作用在经过常温与低温水损伤后虽然略有下降但仍然具有良好的加筋效果。　　（3）利用CT扫描技术获取粗骨料的形态特征并构建粗骨料的形态特征库，而后生成目标级配质量下的粗骨料数值模型，并采用规则排列的颗粒球单元模拟沥青砂浆与土工合成材料，通过删除一定数目的沥青基质颗粒单元模拟目标空隙率，最终生成土工合成材料加筋沥青混合料的细观数值模型。而后利用该模型分析压缩过程中土工合成材料对沥青混合料细观特性的影响。模拟发现，土工合成材料加筋会提升沥青砂浆之间、粗骨料与沥青砂浆间的接触力在高区间的分布，但对粗骨料之间的接触力分布却影响不大，此外，加筋还能约束沥青混合料的侧向位移，且土工格室的提升与约束效果均优于土工格栅。　　（4）采用黏弹性理论中的Burgers模型的同时通过应变等效原理引入损伤理论中的损伤演化模型，从而构建出一种结构形式简洁、参数较少且物理意义明确的整体式宏观本构模型。而后根据不同温度与应力比下的疲劳试验标定模型的宏观参数，同时采用刚度模量定义的损伤变量对其进行验证，并分析加筋对沥青混合料各个条件下的宏观参数变化规律的影响。研究发现，土工合成材料加筋会使宏观参数中的弹性模量Ev下降，黏性系数ηv和ηe上升。　　（5）根据室内试验中土工合成材料的最优加筋方案构建加筋沥青路面的现场试验路段，而后采用标准车辆进行不同车速与轴载下的静载试验与动载试验，并基于加筋改善系数Fm评估不同车载条件下土工合成材料对现场试验路段的加筋效果。结果发现，Fm会随着轴载的增加而增大，随着车速的增加而减少，这表明车辆荷载越大、车速越慢，土工合成材料对沥青路面的加筋改善效果越好。
作者：	王先镕
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	张谢东
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021