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持续极端高温条件下的沥青路面抗永久变形研究

张宗涛  
【摘要】:随着全球气候变暖现象的加剧,越来越多的地方出现了持续极端高温天气,这对人们的生产生活造成了较大影响。而沥青材料由于其自身特点,在持续高温条件下较易出现软化现象,从而使沥青路面产生车辙、拥包等病害。尽管目前国内外研究者对沥青路面车辙问题进行了大量的研究,但针对持续极端高温下沥青路面车辙的研究相对较少。本文针对持续极端高温气候条件,开展沥青路面内部温度对沥青路面使用性能的研究,提出了考虑损伤的沥青混合料永久变形预估模型,开发纳米复合改性沥青技术以减少沥青路面在持续高温条件出现的永久变形病害,从分子动力学角度对纳米改性沥青机理进行了分析,对影响沥青混合料在极端高温下性能的因素进行了研究,提出了针对极端持续高温因素的沥青路面设计思路,最后通过铺筑试验路段验证本文研究成果。利用ANSYS Workbench有限元仿真软件,在气温分别为35℃、38℃、40℃三种情况下,模拟连续7天高温天气路面温度场,总结了不同气温条件下沥青路面各结构层的温度变化规律。利用理论分析方法,基于粘-弹-塑性本构模型构建了沥青混合料损伤模型,对持续极端高温条件下沥青混合料永久变形的变化规律进行了研究,提出了考虑损伤的沥青混合料永久变形模型参数的确定方法。根据40℃、60℃及67℃温度下的三轴重复试验及直接拉伸疲劳试验结果对考虑损伤的沥青混合料永久变形模型参数进行拟合,得到了40℃、60℃及67℃温度条件下流动数公式。利用纳米材料作为沥青改性剂,制备纳米和SBS复合改性沥青。经优选确定了最佳复合改性组合方案:3%ZnO+0.5%TiO_2+3.7%SBS;纳米复合改性沥青混合料的高温、低温、抗拉性能、疲劳、水稳定性及老化性能的试验测试表明,开发的纳米复合改性沥青混合料具有较好的路用性能。采用Material Studio建立纳米改性沥青分子模型,对纳米改性沥青机理在分子模拟角度进行了分析,提出了制作改性沥青的最佳温度。针对不同沥青混合料,在60℃、67℃和75℃条件下,汉堡车辙试验,总结了三种沥青结合料、两种级配沥青混合料在极端温度下的变形特点,结果表明纳米沥青混合料具有较强的抗极端高温变形能力。试验路铺筑表明:纳米改性沥青混合料施工工艺简单,路用性能良好,经济性好,具有广泛的推广应用价值。通过试验路验证了纳米沥青混合料的工艺流程。


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