沥青混合料黏弹性能的细观力学模型.docVIP

沥青混合料黏弹性能的细观力学模型 工程中沥青混合料黏弹性能的确定主要通过试验法和经验公式法。试验法可采用本文中的蠕变试验和动态模量试验，该种方法耗时较长，且只能对已成型特定级配的沥青混合料进行试验，若混合料类型较多，往往需要大量的重复性试验，造成材料浪费和环境污染。经验法中动态模量的Witczak和Hirsch预测模型[[65] [65]闫振林,胡霞光,肖昭然.沥青混合料动态模量预估模型研究[J].公路,2008,1(1):175-179. 从细观角度出发，沥青混合料可视为由沥青砂浆、粗集料和空隙组成的三相复合材料。将沥青砂浆作为基体，粗集料和空隙作为夹杂相，可通过细观力学理论来预测沥青混合料的力学性能。在众多细观力学模型中，Hashin复合球模型与沥青混合料内部结构最为相近，一系列尺度不等的球形粗集料镶嵌于沥青砂浆基体之中，但该模型存在前提假设条件，为定值，也就是说所有集料半径与其沥青砂浆包裹层厚度成正比，这样就无法考虑粗集料的尺度效应。实际上，粗集料分散于沥青砂浆介质中，虽然粒径大小不同，但沥青砂浆包裹层厚度近乎相同，且文献[ NOTEREF _Ref292644143 \h 29]已经提出沥青砂浆包裹层厚度的计算公式。为此，本文假设沥青砂浆包裹层厚度相同，对Hashin复合球模型进行了改进和简化。 首先提出了沥青混合料的弹性模量预测细观力学模型，该模型能够较为准确地反映沥青混合料内部的细观结构组成，且能够考虑粗集料尺寸效应及级配的影响。其次，应用黏弹性对应原理，将弹性模型转化至黏弹性范围，建立了沥青混合料黏弹性能的细观力学模型。最后，将模型预测结果与试验结果相对比，对模型进行验证及修正，分析黏弹性影响因素。 1 细观力学模型的建立 1.1 弹性模量预测模型 将沥青砂浆视为基体，粗集料为球形夹杂相。假设材料均匀且各向同性，粗集料与沥青砂浆之间完全连接。应用Hashin复合球模型(图2.5—2.6)，沥青砂浆包裹层厚度用表示，，粗集料的体积分数即可表示为 (4. SEQ 5. \* ARABIC 1) 由上式可见，当为定值时，粗集料体积分数是与集料半径有关的变量，粗集料的尺寸效应得以体现，但这与Hashin复合球假设中夹杂相体积分数为定值相矛盾。为此，本文在不改变上述假设条件的基础上，对模型进行部分改进，提出了分级预测模型，方法如下： 将沥青混合料按粒径尺寸进行分级，目的是使第级模型中仅含有相同粒径的粗集料，从而满足Hashin复合球假设为定值，文献[ NOTEREF _Ref292644143 \h 29]给出了沥青砂浆包裹层厚度计算公式 (4. SEQ 5. \* ARABIC 2) 式中，、分别代表粗集料和沥青砂浆的体积含量，对于一般密级配沥青混合料空隙体积分数=0.04，体积分数关系可表示为；、分别为表示第级与第级间()粗集料的平均半径和质量百分含量，粗集料总含量。 第级模型中粗集料体积分数表示为 (4. SEQ 5. \* ARABIC 3) 因此，第级模型的等效体积模量和剪切模量可由式(2.51)和式(2.60)改写为 (4. SEQ 5. \* ARABIC 4) (4. SEQ 5. \* ARABIC 5) 式中，、、表达式同式(2.60)，仅将式中改写为。、，、分别表示集料和沥青砂浆的体积模量与剪切模量，可由杨氏模量与泊松比关系式得出 (4.6a) (4. SEQ 5. \* ARABIC 6b) 考虑到本文的单轴加载方式，第级模型的单轴弹性模量写为 (4. SEQ 5. \* ARABIC 7) 单级数模型的弹性模量由式(4.7)求得，而沥青混合料是由不同粒径尺寸的集料按照一定的级配组成的，且每种集料都对整体弹性模量产生影响，因此，考虑粗集料级配效应，将沥青混合料的等效弹性模量平均化表示为 (4. SEQ 5. \* ARABIC 8) 1.2 模型简化[[66] N. Shashidhar [66] N. Shashidhar., A. Shenoy. On using micromechanical models to describe dynamic mechanical behavior of asphalt mastics[J]. Mechanics of Materials,