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水—温耦合作用对沥青混合料性能影响及防治措施研究

侯明昊  
【摘要】:在我国已建成的高速公路中,沥青路面的早期损坏频繁发生。引起这些破坏的主要原因之一是水的作用,特别是在寒冷地区,由于路面中积聚的水在动水冲刷及冻融作用下,加剧了路面的损坏。尽管广大道路工作者及科研人员对沥青路面的水损坏问题进行了多年的研究,但是寒冷地区沥青路面的水损坏及冻融破坏问题至今尚未有效地解决。因此针对沥青路面的水分、温度分布特征及水损坏发生过程及其机理、水损坏防治措施等问题开展研究具有重要的理论意义及应用价值。综合考虑水分在道路结构中的传递对道路材料热物理性质的影响,以含水量做耦合项,建立了路面结构温-湿耦合数值模型。运用Fortran语言编制模型子程序,将其嵌入HVACSIM+仿真环境,进行了道路结构温-湿耦合模型的仿真分析。在此基础上采用室内实测数据验证了道路结构温-湿耦合模型的合理性与准确性。利用此模型进行了路面结构湿度场分布规律的研究,阐明了潮湿环境及降水环境时路面结构内部湿度场的分布特点,探讨了路面材料空隙率、路面结构温度梯度等因素对路面结构内部湿度场分布规律的影响。通过自主开发的动水冲刷试验仪进行了沥青混合料的动水冲刷试验研究,确定了动水冲刷的试验条件。分析了动水冲刷试验温度、冲刷强度、沥青品种及空隙率等因素对动水冲刷后材料劈裂强度及劲度模量的影响。研究了动水冲刷对沥青混合料疲劳性能的影响。建立了沥青混合料考虑蠕变连续损伤的本构模型,通过动水冲刷作用前后沥青混合料的高温蠕变试验,研究了沥青品种及初始空隙率对动水冲刷前后沥青混合料高温蠕变特性的影响,得到了材料蠕变损伤的本构方程。通过工业CT扫描技术分析了沥青混合料动水冲刷的损伤机理。研究表明,沥青品种及初始空隙率对动水冲刷损伤影响显著。8%空隙率的沥青混合料受动水冲刷的影响最为显著,而12%的透水沥青混合料受动水冲刷影响较小。提高沥青的粘度可以有效的增强沥青混合的抵抗动水冲刷的能力。通过冻融循环试验研究了沥青混合料冻融损伤特性。采用数字散斑相关方法,研究了冻融对沥青混合料应变特性的影响。分析了冻融循环对沥青混合料的模量及强度等力学指标的影响规律。结合工业CT扫描技术分析了沥青混合料的冻融损伤机理,建立了考虑沥青混合料细观损伤参数的模型,分析了沥青混合料细观结构参数随冻融循环的演化规律。研究了沥青混合料冻融破坏的主动防护技术。研究表明,随着冻融循环的持续,沥青混合料的主要力学指标产生较大的衰减。在冻胀力作用下,沥青混合料内部的空隙率不断扩大,冻融作用加剧了沥青混合料内部初始微裂缝的形成及扩展,导致其宏观力学性能下降。研究了沥青路面水损坏的主动防护技术。开发了两类水损坏的主动防护材料,憎水型防护材料及缓释盐粉料。憎水型防护材料的配方为80%渗透型有机硅树脂tari-101、20%成膜物质、固化剂tari-1468为tari-101掺加质量的5%。所研发的憎水型防护材料具有较高的渗透性,对路面的抗滑性能影响较小,并且憎水型防护材料的应用可以显著的提高沥青路面的防水性能。研究了缓释盐粉体的载体材料性能,确定了缓释盐粉体的生产工艺,对比分析了不同工艺生产的缓释盐的性能,最后通过试验验证了冻融防护材料的实际应用效果。


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