老化对水泥沥青复合胶结料粘弹特性的影响

为了研究老化对水泥沥青复合胶结料蠕变特性及粘弹性力学参数的影响,结合不同材料配比的水泥沥青复合胶结料的老化试验及蠕变试验,分析了老化时间及材料配比对复合胶结料粘弹性力学参数的影响。建立了考虑老化影响的粘弹性力学参数的演化方程;基于三元件四参数分数导数模型,提出了水泥沥青复合胶结料的老化因子,建立了水泥沥青复合胶结料的老化预测模型。研究表明:随着材料老化程度的加深,水泥沥青复合胶结料的弹性成分所占比例增加,粘性成分减少;水泥沥青复合胶结料的老化速度在老化前期变化较快,随老化时间增加老化速度减缓;适当提高沥青的用量可以在发生老化的情况下使材料仍具有较好的柔性及变形能力。所建立的老化因子能够同时反映老化时间、配合比等因素对水泥沥青复合胶结料粘弹特性的影响。     

冻融循环作用下连续密级配沥青混合料损伤本构关系研究

为研究季节性冻土区连续密级配沥青混合料的应力-应变关系以及冻融损伤问题,基于应变等价原理和Weibull分布建立了考虑冻融作用沥青混合料的损伤本构关系。采用冻融循环条件下沥青混合料的单轴压缩试验,分析了冻融循环作用对沥青混合料力学特性的影响,并验证了损伤本构关系的合理性。结果表明,随着冻融循环次数的增加,沥青混合料的力学性能逐渐降低,冻融损伤变量逐渐增大;掺入橡胶粉和苯乙烯（styrenic block copolymers,SBS)可有效提高沥青混合的抗冻性能;所建立的本构模型能够较好地反映冻融作用下连续密级配沥青混合料的应力-应变关系;指数函数能够描述冻融损伤变量的变化规律,为分析冻融作用下沥青混合料的损伤破坏提供了新方法。     

沥青砂浆粘弹特性试验与模型参数分析

讨论了20℃时,沥青砂浆在6种加载应力下的单轴蠕变试验。采用Burgers模型对其粘弹性进行分析。利用Origin7.5软件对模型参数进行拟合,得到沥青砂浆粘弹性本构方程的一般表达式。对比模型预测值与试验结果,并分析模型参数对蠕变过程的影响。结果表明,Burgers模型能较好的反映沥青砂浆的粘弹特性,且应力-应变等时曲线表明,沥青砂浆的流变表现出较明显的非线性特征,而模型的弹性参数E1确定了蠕变过程的初始位置(t=0),弹性参数E2控制了第1阶段的曲线范围,粘性系数1η确定了第2阶段蠕变曲线的斜率,粘性系数2η控制了第1阶段蠕变曲线弯曲程度。     

可压缩粘弹性材料Ⅰ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了可压缩粘弹性材料Ⅰ型动态扩展裂纹的力学模型,推导了可压缩材料Ⅰ型动态扩展裂纹的本构方程.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级.通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变和位移的数值结果,给出了应力、应变和位移随各种参数的变化曲线.数值计算表明,弹性可压缩变形对Ⅰ型裂纹尖端应力场影响甚微,而对应变场和位移场影响较大.裂纹尖端场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M控制.当泊松比v=0.5时,可以退化为不可压缩粘弹性材料Ⅰ型动态扩展裂纹.     

Aging Behavior and Creep Characteristics of CACB

沥青老化对水泥沥青复合胶结料蠕变特性的影响研究

李云良, 刘钰泽, 徐垒, 何鑫, 孙海蛟

(哈尔滨工业大学交通科学与工程学院, 哈尔滨, 150090)

摘 要：水泥沥青复合胶结料是由水泥、沥青及多种外加剂胶结固化形成的复合胶结材料,沥青的老化会对水泥沥青复合胶结料的蠕变特性产生影响。通过水泥沥青复合胶结料不同老化程度下的蠕变试验得到其蠕变柔量,结合分数导数修正博格斯模型的蠕变柔量进行了试验结果的曲线拟合,分析了沥青老化及材料配比等因素对水泥沥青复合胶结料蠕变特性的影响。研究表明,随着沥青老化时间的增加,复合胶结料抵抗瞬时弹性变形及粘性流动变形的能力增强,弹性成分增加而粘性成分减少,材料的变形能力变差,呈现出弹性材料的变形特性。在老化初期（老化时间小于12h）,沥青老化对复合胶结料的黏弹性力学性能影响较大,而在老化后期（老化时间大于12h）,沥青老化对复合胶结料的黏弹性力学性能影响较小。在老化初期,提高沥青用量可以增强复合胶结料的蠕变变形能力;在老化后期,沥青含量对复合胶结料的蠕变变形能力影响较小。

关键词：水泥沥青复合胶结料;老化;蠕变;黏弹性。

创新点说明：

（1）建立了考虑老化的水泥沥青复合胶结料黏弹性本构模型;

（2）基于本构模型参数建立了水泥沥青复合胶结料的老化表征方法与指标。

     

基于微观力学的沥青混合料黏弹性预测

利用微观力学和逾渗理论预测了沥青混合料的黏弹性能。将沥青混合料看作刚性粗集料颗粒夹杂于黏弹性沥青砂浆基体内的复合材料,在Laplace空间域内利用Mori-Tanaka等效夹杂理论和宏观平均理论,建立了从沥青砂浆黏弹性预报沥青混合料黏弹性的模型。基于逾渗理论修正了模型中的参数,并与静态蠕变试验结果进行了对比。结果发现:粗集料对黏弹性沥青基体性能具有增强作用,沥青混合料黏弹本构方程可以表示为粗集料增强系数与沥青基体黏弹本构方程的乘积形式。微观力学预测的增强系数较试验值偏小,误差分析发现,产生偏差的主要原因是Mori-Tanaka方法考虑集料间相互作用较弱,当粗集料体积分数较大时,预测模型精度下降。通过逾渗理论对粗集料体积分数修正后的结果与试验值较吻合。     

沥青砂动态剪切蠕变特性

为了解沥青砂的复杂力学行为,给沥青混合料细观力学研究提供数据支持,将几种沥青混合料的配合比转变为沥青砂的配比,采用自主研发的沥青砂成型装置及流变仪夹具获取沥青砂的动态剪切蠕变曲线,基于Burgers模型对蠕变曲线进行拟合,获取动态剪切荷载下沥青砂的黏弹性参数,分析黏弹性参数及松弛模量的变化规律。试验结果显示,Burgers模型对沥青砂动态剪切蠕变曲线具有较好的拟合效果。相同加载时间内,相比于AC-20级配沥青混合料,SMA-16级配沥青混合料蠕变变形量更大。橡胶沥青砂的抗剪切蠕变性能最优。沥青砂蠕变变形影响规律与混合料车辙变形一般影响规律相符。试验温度、沥青用量、沥青种类和级配类型均对沥青砂的黏弹性参数和松弛模量影响显著。     

软岩非定常蠕变参数辨识

岩石的流变特性是年岩石重要的力学特性之一,它控制着岩石的蠕变参数.某矿区岩石具有显著流变性,因此,矿区岩石蠕变规律研究成为一项重要的基础工作.为此,对矿区软弱复杂矿岩蠕变特性进行了试验研究.采用多级循环单轴压缩进行试验,在对试验数据深入分析时,考虑了加载历史对岩石试件变形的影响,真实地反映了岩石试件本身的流变力学行为.选取Burgers模型来反映岩石的蠕变特性,建立了一维情况下非定常粘弹性模型的蠕变方程,结果表明非定常粘弹性模型比定常粘弹性模型更为准确地反映了岩石的粘弹性变形性能.     

粘弹性材料本构关系研究

本文在粘弹性材料静态力学试验的基础上研究材料的粘弹性本构关系,提出了应用■义力学系统来分析材料力学性能的方法,推导了复域、时域和频域的粘弹性本构方程,■由频域粘弹性本构方程入手分析了粘弹性材料的阻尼损耗能。最后介绍了用于测试粘弹性材料动态特性的系统识别法及设计的微机测试系统。     

表征沥青及沥青混合料性能的流变学模型

本文结合由高、低温蠕变实验所得到的沥青混合料的变形特性,在分析现有流变学模型性能的基础上,提出了一种能较准确地表征沥青混合料变形特性的流变学模型,推导了其蠕变方程,并通过蠕变实验结果确定了材料的模型参数,为采用流变学理论和粘弹性理论研究沥青混合料及沥青路面奠定了基础。     

高模量沥青混凝土蠕变特性研究

通过单轴压缩蠕变试验和低温弯曲蠕变试验测试了不同试验条件下高模量沥青混凝土的蠕变劲度模量,分析不同的组成材料对高模量沥青混凝土蠕变性能的影响规律.结果显示低标号沥青和外掺剂能够显著提高沥青混合料的劲度模量,降低沥青混合料在高温蠕变过程中的瞬间变形和黏弹性变形发展的速度,但低温环境下高模量沥青混凝土对持续弯拉应力的松弛能力有所降低.     

混凝土力学性质的损伤检测分析

冻融循环将直接导致混凝土内部结构损伤,使混凝土材料的结构松散,力学性能退化.这种性能退化所反映的混凝土本构行为的变化特性,既是工程中关于混凝土耐久性寿命评价、在役结构稳定性判断的重要参数,也是本构理论研究中的空白.基于这种指导思想,从冻融过程中的宏、细观试验建立混凝土力学性能退化规律的基本认识,屈服破坏面改变与本构模型参数的变化规律,得到关于冻融损伤发展的有益结论.     

冻融受荷协同作用下沥青混合料损伤模型研究

为研究寒区沥青路面抗冻融性能,借助细观损伤力学与宏观统计随机损伤理论,提出冻融变量、荷载变量及协同效应等概念,构建了冻融与荷载共同作用下的沥青混合料损伤本构关系和损伤演化方程,揭示冻融循环次数、应变及油石比影响下的沥青混合料冻融受荷损伤劣化机理.研究表明:寒区沥青混合料力学性能受冻融变量、荷载变量及协同效应影响显著,在冻融受荷协同作用下总损伤劣化呈非线性加剧趋势,沿冻融和受荷两条途径的损伤率演化规律迥异.冻融循环次数和油石比对损伤变量影响较大,但冻融次数超过20时,损伤变量和损伤率降幅均显著且趋于恒定.适当上浮最佳油石比,可有效改善寒区沥青混合料的抗冻融耐久性能.     

樊鹏玄

为考察形状记忆聚合物(SMPs)的有限应变力学特性,将SMPs材料的弹性响应采用Neo-Hookean超弹性本构方程描述,黏性响应采用Prony级数描述,从经典遗传积分形式的黏弹性本构方程出发,推导出有限应变格式的黏弹性本构方程和相应的材料参数拟合公式.采用环氧基形状记忆树脂(ESMP)进行拉伸 松弛试验,利用推导的公式进行非线性拟合得到本构方程的参数.对不同温度下ESMP的黏弹性力学特性进行试验研究,表明在试验温度范围内随温度升高ESMP的初始模量降低,初始模量中黏性部分所占比例降低,但弹性部分模量值基本不变.针对三维的SMPs结构分析问题,基于所推导本构,应用ABAQUS软件建立数值模拟方法.对拉伸 松弛试验进行数值模拟,结果表明所推导的本构方程用于SMPs的大应变分析中具有较高准确性.此外,所推导的有限应变黏弹性本构方程及参数拟合公式也适用于具有黏弹性特点的其他各向同性高聚物.     

冻结盐渍土强度特性试验研究

通过对冻结盐渍土进行三轴试验,研究不同冻结温度、冻融循环次数和围压的冻结盐渍土强度特性与本构关系。研究表明:冻结盐渍土的应力-应变关系曲线为应变硬化型,满足邓肯-张双曲线本构模型,并确定本构模型参数。冻结盐渍土随着应变增加,应力不断增加,曲线分为弹性变形阶段和塑性变形阶段两个变形阶段。随着围压的增加,冻结盐渍土的应力-应变关系曲线越高,早期强度、弹性模量和破坏强度增加,工程性能和抵抗变形能力增强,而冻结温度和冻融循环次数却与之相反。     

基于可靠度的冻融循环下沥青路面性能

在冻融循环试验的基础上,通过考虑影响因素的不确定性,对冻融作用下沥青路面结构的可靠性开展研究。采用冻融循环试验模拟了青藏高寒地区冻融作用对沥青混合性能的影响,建立了考虑冻融作用的路面结构强度可靠度方程,利用蒙特卡洛模拟方法对可靠度方程进行求解。研究得出:沥青混合料的抗压回弹模量在冻融作用下呈衰减趋势,初始冻融作用下混合料性能衰减较快,经历8~10次冻融循环后性能衰减趋于平缓;路面结构承载能力(可靠度)随冻融作用次数的增加呈衰减趋势,冻融作用对路面结构的可靠度有显著影响;路面结构可靠度随冻融循环变异系数的增加呈降低趋势。本文提出的考虑冻融作用的沥青路面可靠度分析方法可以较好地反映寒冷地区冻融作用对路面性能的影响。     

冻融循环条件下受荷岩石的损伤本构模型

基于岩石细观结构的非均匀性,建立了冻融受荷岩石损伤扩展本构关系,通过冻融损伤、受荷损伤与总损伤3个损伤因子描述岩石材料各层次的劣化程度及损伤演化途径。通过与岩石冻融循环力学特性试验结果对比,证明所建立的模型能够很好地反映不同冻融循环次数下岩石应力应变的变化关系。     

Prony级数形式的形状记忆聚合物有限应变黏弹性本构模型

为考察形状记忆聚合物（SMPs）的有限应变力学特性,将SMPs材料的弹性响应采用Neo-Hookean超弹性本构方程描述,黏性响应采用Prony级数描述,从经典遗传积分形式的黏弹性本构方程出发,推导出有限应变格式的黏弹性本构方程和相应的材料参数拟合公式.采用环氧基形状记忆树脂（ESMP）进行拉伸-松弛试验,利用推导的公式进行非线性拟合得到本构方程的参数.对不同温度下ESMP的黏弹性力学特性进行试验研究,表明在试验温度范围内随温度升高ESMP的初始模量降低,初始模量中黏性部分所占比例降低,但弹性部分模量值基本不变.针对三维的SMPs结构分析问题,基于所推导本构,应用ABAQUS软件建立数值模拟方法.对拉伸-松弛试验进行数值模拟,结果表明所推导的本构方程用于SMPs的大应变分析中具有较高准确性.此外,所推导的有限应变黏弹性本构方程及参数拟合公式也适用于具有黏弹性特点的其他各向同性高聚物.     

钢纤维砼的动态本构关系

在对钢纤维砼冲击动态力学实验研究的基础上,分析了砼材料动态力学行为的应变率敏感的非线性粘弹性和计及损伤的动态本构关系的力学模型和本构特性,从而给出了钢纤维砼的计及损伤演化的率型本构方程,理论预示与实验结果吻合良好。     

基于离散虚内键(DVIB)的岩石粘弹性模拟初探

为了将离散虚内键模型(DVIB)推广至粘弹性材料,在DVIB中引入粘性键并与原超弹性键并联来反映材料的粘弹性机理。应用该方法对岩石粘弹性力学行为模拟进行了初探。结果表明该方法能够再现岩石蠕变三阶段特征、弹性后效、强度率相关及蠕变断裂基本过程。进一步研究表明,粘性对动态裂纹扩展和分叉具有很大的影响,延缓了裂纹扩展,削弱了裂纹分叉行为,为岩石粘弹性力学行为的模拟提供了一种新的可行方法。