沥青混合料粘弹塑性本构模型的实验研究

沥青混合料粘弹塑性本构模型的实验研究沥青混凝土路面是近年来高速公路广泛采用的一种结构形式,随着公路运输量日益增长和运输向重型方向发展,路面破坏日趋严重。进行沥青混合料本构模型的研究,对掌握路面变形规律,预测路面结构永久变形大小,预防和抑制路面损害具有十分重要的意义。

文章针对沥青混合料单轴压缩、蠕变和恢复等力学特性,在实验基础上,结合理论和数值拟合分析,建立了沥青混合料不同形式的粘弹塑性本构模型,提出了模型参数确定方法,讨论了加载应力和环境温度对混合料力学行为的影响,并将模型预测结果与实验结果进行了比较,最后还初步分析了集料级配对沥青混合料力学行为的影响。主要内容包括:(1)提出并建立了沥青砂微分型粘弹塑性本构模型。

依据沥青砂蠕变特性,将总变形分解为粘弹性、粘塑性二种分量,采用Burgers模型描述粘弹性变形,采用滑块与粘壶并联模型描述粘塑性变形,然后加以组合,提出了基于二变形分量的粘弹塑性本构模型;进一步细分,将总变形分解为粘弹性、粘塑性和弹塑性三种分量,分别采用不同子模型描述上述分量,然后组合这些子模型,提出了基于三变形分量的粘弹塑性本构模型。基于较优模型,利用实验数据建立了参数与环境温度和加载应力的函数表达式,通过模型预测与实验结果的比较,证实模型可以较好地描述沥青砂三个蠕变阶段的变形特点。

(2)提出并建立了沥青砂、沥青混合料积分型粘弹塑性本构模型。将总变形分解为粘弹性和粘塑性变形,分别采用Schapery非线性模型描述粘弹性变形,采用Uzan模型描述粘塑形变形,提出了改进的Schapery积分模型,建立了积分型的非线性粘弹塑性本构关系,提出了非线性参数的实验确定方法,分别采用蠕变回

复实验确定粘弹性参数,采用多次循环蠕变回复实验确定粘塑性参数,并假定蠕变柔量为时间的指数函数,利用得到的模型预测了沥青砂和混合料在不同应力作用下的蠕变变形,通过与Schapery模型预测结果的对比发现,改进的Schapery 模型与实验结果的吻合程度更好。

(3)通过压缩和蠕变实验研究了沥青混合料的级配效应。进行了沥青混合料级配组成原理分析和粗、细集料尺寸的界定研究,在此基础上研究了粗、细集料组成和配比对混合料力学行为的影响。

通过对抗压强度和蠕变率两个指标的计算、分析和比较,发现在保持粗、细集料含量不变的基础上,细集料(粒径小于2.36mm的集料)的尺寸、配比变化对沥青混合料力学行为的影响较小,而粗集料(粒径大于2.36mm的集料)的配比变化影响较大。因此,在研究和分析中,可以将粒径2.36mm作为粗、细集料的分界线,忽略细集料配比变化对沥青混合料力学行为的影响,且沥青砂可看作一种均质材料,这是两步法研究沥青混合料力学行为的基础。