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基于DMA法的沥青混合料动态粘弹特性及剪切模量预估方法研究

尹应梅  
【摘要】:随着高速公路里程的日益增加,沥青路面的早期损坏现象不断涌现。相关研究表明,沥青路面的各种损坏均与沥青混合料的粘弹性有关。沥青混合料是由非均质分布的矿料、沥青和空隙组成的复杂三相体系,其粘弹性能与各组分的力学特性及体积分数密切相关,目前沥青混合料复数剪切模量G~*和相位角计算未直接利用沥青流变数据,而沥青路面经常处于车辆动荷载作用下。因此,基于动态力学分析(DMA)方法研究沥青混合料宽频宽温动态粘弹特性和根据各组分特性研究沥青混合料动态模量预估方法是非常重要的。 DMA是测试材料在周期性变化应力或应变作用下材料发生形变时模量和阻尼特性。DMA方法通常在小应变条件下测定,小应变条件符合路面变形规律;且DMA只需小试样就可以在宽频宽温条件下连续测定,在较短的时间内获得不同应力、应变、时间、温度和频率范围内沥青混合料的动态力学性能,可全面评价沥青混合料的粘弹力学行为。沥青混合料的粘弹力学行为分析的前提条件是获得粘弹函数主曲线。借鉴国内外研究成果,采用高级剪切流变仪AR-2000对沥青混合料进行DMA频率扫描;再利用时温等效原理验证沥青混合料属于简单热流变材料,仅需水平移动就可得到粘弹函数主曲线,文中采用最小二乘法非线性拟合获得的主曲线涵盖工程应用的全部频率范围,为全面研究沥青混合料粘弹行为提供充分依据。 应用DMA频率谱和时温等效原理获得沥青的玻璃化转变温度(T_g)和沥青混合料的T_g,克服了DMA温度谱可能未覆盖T_g的不足。动态频率扫描(DFS)是获得材料物性特征指标T_g的有效方法。沥青的T_g与沥青混合料的T_g的变化趋势一致,且相关性良好,并与WLF方程中的C_2有良好的相关性。结果表明,沥青和沥青混合料低温性能可用同一指标T_g评价。 在对比已有流变模型基础上,选用CAM模型基于主曲线研究了沥青及沥青混合料宽温宽频域内的粘弹力学行为。重点讨论不同空隙率沥青混合料极限低频和极限高频时粘弹行为,以及在低温、中温、中高温、高温时沥青混合料的粘弹比例。研究表明,CAM模型是研究沥青混合料粘弹行为的有效模型,其参数物理意义明确,且对体积指标变化较敏感,能为沥青混合料性能研究及工程应用提供指导。 为了描述沥青混合料的复杂的动态粘弹力学行为,对沥青混合料的动态粘弹性能的本构关系进行了研究,分别采用广义Maxwell模型和和分数阶导数Maxwell模型、Burgers模型和分数阶导数Burgers模型对动态粘弹性能进行拟合,并对经典粘弹模型和分数阶导数模型的拟合结果进行分析。分析发现,广义Maxwell模型在曲线两端拟合效果较差,分数阶导数Maxwell模型的拟合效果较好,且拟合得到的参数具有一定的物理意义,可定量评价沥青混合料的动粘弹特性;Burgers模型不能很好的拟合动态蠕变曲线,在蠕变开始阶段偏差尤为明显,分数阶导数Burgers模型可以较精确的描述沥青混合料的动态蠕变曲线。结果表明,分数阶导数模型可较好的描述沥青混合料动粘弹行为。 在分析沥青混合料粘弹函数影响因素敏感性的基础上,推导了改进的Hirsch模型;再根据Superpave的沥青流变数据和沥青混合料的体积参数,采用改进的Hirsch模型预估了沥青混合料的剪切模量和相位角。结果表明,预估值和实测值相关性良好( R~2 0.89),改进的Hirsch模型是一种简单可行的预估沥青混合料复数剪切模量和相位角的方法。改进的Hirsch模型G~*计算充分考虑了沥青混合料的体积组成特性和Superpave沥青的G~*值,而且参数少,这样减少了误差且易操作;大大节约了实验时间和费用;改进的Hirsch模型为沥青混合料动态剪切模量和相位角的预估及粘弹特性的研究提供了一种有效途径。


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