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原文传递湿度对沥青混合料受压状态下黏弹塑性的影响研究

论文题名：	湿度对沥青混合料受压状态下黏弹塑性的影响研究
关键词：	沥青路面;湿度敏感性;线性黏弹性;非线性黏弹性;黏塑性;永久变形
摘要：	沥青路面中气态水是沥青路面水损害主要来源之一，大量工程实例也验证了水气会严重影响沥青路面的服役性能。如何准确评价湿度条件下沥青混合料的力学性质对于水损害防治和长寿命耐久性沥青路面设计至关重要。然而，当前研究在沥青混合料湿度敏感性时采用的试验养生方法和力学性能评价方法方面仍然存在一些不足。为了全面分析湿度条件对沥青混合料的力学性质，本文将在前人研究的基础上以气态水为试验条件，以黏弹、黏塑性理论为基础，并设计相应的试验方案，分析湿度条件下沥青混合料受压力学性质的变化规律，同时量化湿度与力学性质之间的联系。通过研究得到的主要结论如下：　　(1)设计了四个湿度条件（0g/m3、8.64g/m3、13.82g/m3和17.27g/m3）进行湿度养生，确定了沥青混合料试件养生步骤和方案，并通过湿度测试仪分别测试得到四个湿度水平下沥青混合料试件达到湿度平衡的时间。同时，通过测试沥青混合料试件在自然环境中的湿度变化情况，采取了相应的湿度控制措施对后续力学试验中的试件进行湿度控制。　　(2)提出了Kramers-Kronig关系的数值求解方法，并以此提出两种采用精确Kramers-Kronig关系绘制沥青材料动态模量与相位角，以及存储模量与损失模量主曲线方法，并通过与采用近似Kramers-Kronig绘制主曲线的结果进行对比，结果显示：采用精确Kramers-Kronig关系绘制主曲线在精确性（拟合优度和误差）上明显优于近似Kramers-Kronig关系，且得到的主曲线更加满足物理意义和黏弹性理论。在完成主曲线绘制之后，分别考虑湿度移位因子和频率因子，并以此构建了沥青混合料动态模量和相位角竖向移位综合模型。结果表明：建立的综合移位模型具有较高的精确性。另外，根据模型拟合参数发现沥青混合料容易由弹性性质向黏性性质转变，沥青混合料在高温下更容易产生永久变形。同时，湿度因子g(i)H可直接反映出湿度对沥青混合料线性黏弹性质的影响程度。根据综合移位模型建立了参考温度20℃下，不同湿度和频率下的动态模量和相位角三维曲面图，根据三维曲面图数据分析可知，高湿度更容易导致沥青混合料动态模量下降，抗变形能力减弱。　　(3)以Schapery非线性黏弹性模型为基础，通过确定参考应力得到了线性黏弹性阶段的Prony级数模型参数，然后采用多重应力蠕变恢复试验方案，求解了两种混合料在四个湿度下、各个应力水平下的非线性黏弹性参数。通过分析发现：沥青混合料的非线性黏弹性参数g1随着湿度水平的提升有增加的趋势，αs、2g随湿度水平增加而减小。同时，建立了考虑压力比和湿度因素的数学模型，并最终构建了与湿度相关的2g综合模型，该模型能准确表征2g在各个湿度和应力水平下的变化趋势。总体来说：湿度水平的提升在一定程度增加了沥青混合料的非线性黏弹性效应，在同等应力水平下会产生更多的变形量，但恢复的黏弹性应变会更少，进而会增加永久变形。　　(4)设计了分步求解黏塑性模型参数的试验方案，并从物理意义出发设计试验求解两种混合料在四个湿度条件下的黏塑性模型参数。结果显示：黏塑性硬化模型参数κ0、κ1与湿度具有一定的线性相关性，但κ2与湿度的线性相关性并不明显；各个湿度下的Perzyna模型参数Γ和N在数值上有所差异，但从整体上看Γ和N随湿度的变化规律也并不十分明显。从这些结果可以看出：沥青混合料在较大湿度养生后，内部黏聚力受到水气作用而有一定程度降低，进而导致初始屈服应力降低，同时最终达到黏塑性应变饱和时的屈服应力也会较小，进而更容易发生黏塑性变形。　　(5)通过流变次数试验评价指标分析湿度对混合料抗永久变形性能的影响。试验结果表明：两种混合料FN随湿度增加而逐渐减小，但第二阶段永久变形增长率逐渐增加。在湿度条件下，水气降低了混合料内部集料与沥青及沥青胶浆内部的黏附能力，导致混合料抵抗荷载能力变差，在荷载作用下产生的变形量相对于干燥状态更为明显，即高湿度条件导致混合料抵抗永久变形的能力变弱，累积的永久变形速率更快，变形量更大。这一结果也验证了沥青混合料在不同湿度条件下线性黏弹性、非线性黏弹性及黏塑性质的变化规律。
作者：	习磊
专业：	交通运输工程
导师：	罗蓉
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2020