（道路与铁道工程专业论文）多孔沥青路面微观力学特性与空隙衰变行为研究.pdf

摘要 本论文在国家自然科学基金项目( 资助编号：5 0 6 0 8 0 0 6 ) 与交通运输部交通应用基 础研究项目( 资助编号：2 0 0 63 1 9 8 1 21 2 0 ) 的共同资助下完成。 多孔排水沥青路面的主要特征是空隙率较高，一般在2 0 左右，高空隙率带来的路 用性能表现为降噪效果良好、表面抗滑能力强、透水性好、安全性高。然而，高空隙率 引起的不良结果为荷载作用后，该类型路面中的空隙会产生空间形态上的衰变，导致混 合料中的结构空隙出现两种结果：一、结构空隙总量和分布均发生衰变；二、结构空隙 总量未发生变化，而结构空隙的分布发生变化，前二种情况主要发生在施工阶段，后一 种情况主要发生在运营阶段。尤其对于多孔排水路面，后一种情况更为重要，直接关系 到其排水能力和功能的持续性问题，因此揭示多孔沥青路面中的空隙空间形态及分布、 研究多孔沥青路面微观空隙的力学特性、分析空隙在荷载作用后的衰变行为具有重要意 义。 本文以多孔沥青路面的空隙衰变为主线，从微观角度给出了空隙的概念模型，借鉴 多孔固体力学分析了简化空隙模型的力学形态，根据b e t t i 互等定理推导了应用于多孔 沥青路面的空隙体积模量，采用连续介质力学方法结合龚帕斯“生长模型研究了空隙 的衰变规律。此外，利用离散元方法数字重构了沥青结合料、骨料及混合料，数值模拟 了有限空隙的衰变特性，分析了形成空隙结构的骨料颗粒的位移矢量及接触力矢量，从 微观角度明确了空隙变形机理。 经理论推导和离散元方法数值模拟，本文取得的具体成果如下： ( 1 ) 提出了多孔沥青混合料的概念模型，并阐明了针对多孔沥青混合料的体积模 量的概念，包括混合料的体积模量及空隙体积模量，完整推导了用于解释多孔沥青混合 料体积模量的方程，包括干燥及饱和两种状态的求解过程，研究了空隙体积模量与温度 之间的关系； ( 2 ) 简化了多孔沥青混合料中的空隙模型，并对简化后的空隙模型进行了力学分 析，根据具体实例得出了简化空隙模型的变形为0 0 5 m m ； ( 3 ) 根据龚帕斯预测模型研究了空隙体积模量的衰变规律，比较了理论值与预测 值之间的差异，误差率最大仅为9 2 5 ，从而验证了龚帕斯模型在预测空隙体积模量方 面具有可行性； ( 4 ) 利用离散元方法对沥青结合料、集料及沥青混合料进行了数字重构，分别选 取不同的微观接触模型，给出了不同空隙率下的骨架接触力矢量； ( 5 ) 利用离散元方法数值模拟了三种空隙模型在荷载作用下的变形特性，其中等 边三角形平行粘结模型的空隙模型变形最小、最稳定，并给出了组成空隙结构颗粒的位 移和接触力矢量变化特征； ( 6 ) 以三种沥青混合料结构模式( f i n er e s o l u t i o np a r a l l e l b o n d e dm a t e r i a la ( a f p ) 、 c o a r s er e s o l u t i o np a r a l l e l - b o n d e dm a t e r i a la ( a c p ) 、g r o s sr e s o l u t i o np a r a l l e l b o n d e d m a t e r i a la ( a g p ) ) 数值模拟了各自的间接拉伸试验，a f p 模式的劈裂抗拉强度最大， 内部产生的微裂缝最多，并分析了组成沥青混合料试件颗粒的接触力及位移矢量变化规 律； ( 7 ) 通过对a c p 不同加载速率下间接拉伸试验的模拟，得到随着加载速率的增加 劈裂抗拉强度增大的结论； ( 8 ) 数值模拟了多孔沥青路面在荷载作用下路面结构的力学响应，得出了路面结 构横向位置及沿深度方向的竖向位移，分析了各层路面结构在不同荷载下的变形特性。 关键词：多孔排水沥青路面、微观力学特性、连续介质力学、离散元方法( d e m ) 、数值模 拟、体积模量、空隙分布、劈裂抗拉强度、空隙衰变行为 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( p r o j e c t n u m b e r ：5 0 6 0 8 0 0 6 ) a n dt r a n s p o r t a t i o na p p l i e db a s i cr e s e a r c hp r o j e c to fm i n i s t r yo f c o m m u n i c a t i o n s ( p r o j e c tn u m b e r ：2 0 0 631 98 1 21 2 0 ) t h em a i nc h a r a c t e r i s t i co fp o r o u sa s p h a l tp a v e m e n ti sh i g hv o i d sw h i c hi sa b o u t2 0 g o o dp r o p e r t i e sf o rr o a du s ea r ep r o d u c e db yh i g hv o i d ss u c ha sl o w - n o i s e ，s l i d e p r o o f p r o p e r t y ，w a t e rp e r m e a b i l i t ya n ds e c u r i t y h o w e v e r ，t h ep o o rr e s u l tc a u s e db yh i g hv o i d si s t h a tt h ev o i do fp o r o u sa s p h a l tp a v e m e n tw i l lb r i n ga b o u tr e d u c t i o ni ns p a t i a lm o r p h o l o g y a n dr e s u l ti nt w ok i n d so fr e s u l t st ot h es t r u c t u r ev o i d so fa s p h a l tm i x t u r e ：f i r s t ，t h et o t a l a m o u n ta n dd i s t r i b u t i o no ft h es t r u c t u r ev o i d sw i l lb o t ht a k ep l a c er e d u c t i o n ；s e c o n d ，t h e t o t a la m o u n to fs t r u c t u r ev o i d sw i l ln o tc h a n g e ，b u tt h es t r u c t u r ev o i d sd i s t r i b u t i o nc h a n g e s t h ef o r m e ro c c u r s m a i n l yd u r i n gc o n s t r u c t i o ns t a g e ，t h e l a t t e ro c c u r sm a i n l yd u r i n g o p e r a t i o n a ls t a g e t h el a t t e ri sm o r ei m p o r t a n te s p e c i a l l yf o rp o r o u sa s p h a l tp a v e m e n t ，w h i c h i sd i r e c t l yr e l a t e dt oi t sd r a i n a g ec a p a c i t ya n df u n c t i o n s c o n t i n u i t y c o n s e q u e n t l y ，r e v e a l i n g t h ev o i ds p a t i a lm o r p h o l o g ya n dv o i dd i s t r i b u t i o n ，s t u d y i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m i c r o v o i d ，a n a l y z i n gt h ev o i dr e d u c t i o nb e h a v i o ra f t e rl o a d i n gf o rp o r o u sa s p h a l tp a v e m e n t w i l lb eo fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sd i s s e r t a t i o ns u r r o u n d e dt h ev o i dr e d u c t i o no fp o r o u sa s p h a l tp a v e m e n t ，t h e nt h e c o n c e p t u a lm o d e lo fv o i dw a sg i v e nf r o mm i c r o s c o p i cv i e w t h em e c h a n i c a lm o r p h o l o g yo f s i m p l i f i e dv o i dm o d e lw a sa n a l y z e dd r a w i n go np o r o u ss o l i dm e c h a n i c s a n d ，t h ev o i db u l k m o d u l u sa p p l i e dt op o r o u sa s p h a l tp a v e m e n tw a sd e r i v e da c c o r d i n gt ob e t t ir e c i p r o c a l t h e o r e m ，t h e nt h ev o i dr e d u c t i o nl a ww a ss t u d i e du s i n gc o n t i n u u mm e c h a n i c sm e t h o d c o m b i n e dw i t hg o m p e r t z ”g r o w t h ”m o d e l i na d d i t i o n ，a s p h a l tb i n d e r ，a g g r e g a t e sa n da s p h a l t m i x t u r ew e r er e c o n s t r u c t e db yd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dt h er e d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i co f f i n i t ev o i dw a ss i m u l a t e d 谢t hn u m e r i c a lm e t h o d f i n a l l y ，t h ed i s p l a c e m e n tv e c t o r sa n dt h e c o n t a c tf o r c ev e c t o r so fa g g r e g a t ep a r t i c l e sc o m p o s i n gv o i ds t r u c t u r ew e r ea n a l y z e da n dt h e v o i dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mw a sc l a r i f i e df r o mm i c r o s c o p i cv i e w t h r o u g ht h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ed i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ， t h es p e c i f i cr e s u l t so b t a i n e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 1 1 ( 1 ) t h ec o n c e p t u a lm o d e lo fp o r o u sa s p h a l tm i x t u r ew a sg i v e na n dt h eb u l km o d u l u s c o n c e p tw a sp r o p o s e df o rp o r o u sa s p h a l tm i x t u r ei n c l u d i n gt h eb u l km o d u l u so fm i x t u r ea n d v o i db u l km o d u l u s n e x t ，t h ee q u a t i o nu s e dt oi n t e r p r e tb u l km o d u l u so fp o r o u sa s p h a l t m i x t u r ew a sd e r i v e dc o m p l e t e l yu n d e rd r ya n ds a t u r a t e ds t a t e s ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nv o i d b u l km o d u l u sa n dt e m p e r a t u r ew a ss t u d i e da sw e l l ； ( 2 ) t h ev o i dm o d e lo fp o r o u sa s p h a l tm i x t u r ew a ss i m p l i f i e da n dt h em e c h a n i c a l a n a l y s i sw a st a k e nt ot h es i m p l i f i e dv o i dm o d e l t h ed e f o r m a t i o no fs i m p l i f i e dv o i dm o d e l w a s0 0 5 m ma c c o r d i n gt ot h es p e c i f i ce x a m p l e ； ( 3 ) t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e o r e t i c a lv a l u e sa n dp r e d i c t e dv a l u e sw e r ec o m p a r e dt o s t u d yt h er e d u c t i o nl a wo fv o i db u l km o d u l u sa c c o r d i n gt og o m p e r t zp r e d i c t e dm o d e l t h e m a x i m u me r r o rr a t ew a so n l y9 2 5 t h e r e f o r e ，i tw a sf e a s i b l et oa p p l yg o m p e r t zp r e d i c t e d m o d e lt op r o d i c tv o i db u l km o d u l u s ( 4 ) d i g i t a lr e c o n s t r u c t i o nw a sa p p l i e dt oa s p h a l tb i n d e r ，a g g r e g a t e sa n da s p h a l tm i x t u r e b yd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d d i f f e r e n tm i c r o c o n t a c tm o d e l sw e r es e l e c t e da n dt h es k e l e t o n c o n t a c tf o r c ev e c t o r sw e r eg i v e nu n d e rd i f f e r e n tv o i d s ； ( 5 ) t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h r e ek i n d so fv o i dm o d e l su n d e rl o a d i n gw e r e s i m u l a t e db yd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d t h ed e f o r m a t i o no fe q u i l a t e r a lt r i a n g l ev o i dm o d e l w i t hp a r a l l e lb o n dw a st h es m a l l e s t ，t h em o s ts t a b l e a n dt h ed i s p l a c e m e n tv e c t o r sa n d c o n t a c tf o r c ev e c t o r so fp a r t i c l e sw h i c hc o m p o s e dv o i ds t r u c t u r ew e r eg i v e n ； ( 6 ) i n d i r e c tt e n s i l et e s tw a ss i m u l a t e df o rt h r e ek i n d so fa s p h a l tm i x t u r e ，i e ( f i n e r e s o l u t i o np a r a l l e l b o n d e dm a t e r i a la ( a f p ) ，c o a r s er e s o l u t i o np a r a l l e l - b o n d e dm a t e r i a l a ( a c p ) ，g r o s sr e s o l u t i o np a r a l l e l - b o n d e dm a t e r i a la ( a g p ) ) t h es p l i r i n gt e n s i l es t r e n g t ho f a f pw a st h el a r g e s ta n dt h ei n t e m a lm i c r o c r a c k sw e r et h em o s t a n dt h ec h a n g el a w so f p a r t i c l e s c o n t a c tf o r c ev e c t o r sa n dd i s p l a c e m e n tv e c t o r sw h i c hc o m p o s ea s p h a l tm i x t u r e s p e c i m e nw e r ea n a l y z e d ； ( 7 ) i n d i r e c tt e n s i l et e s t sw e r es i m u l a t e df o ra c pu n d e rd i f f e r e n tl o a d i n gr a t e s ，a n dt h e c o n c l u s i o nw a st h a tt h es p l i r i n gt e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e da st h el o a d i n gr a t e si n c r e a s e d ； ( 8 ) t h em e c h a n i c a lr e s p o n s e sf o rp o r o u sa s p h a l tp a v e m e n tw e r es i m u l a t e du n d e rl o a d i n g t h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n t so fp a v e m e n ts t r u c t u r ei nh o r i z o n t a ld i r e c t i o na n da l o n gd e p t h d i r e c t i o nw e r eo b t a i n e da n dt h ed e f o r m a t i o np r o p e r t i e si nd i f f e r e n tp a v e m e n ts t r u c t u r el a y e r s i v u n d e rd i f f e r e n tl o a d i n g sw e r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：p o r o u sd r a i n a g ea s p h a l tp a v e m e n t ，m i c r o m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，c o n t i n u u m m e c h a n i c s ，d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ( d e m ) ，b u l km o d u l u s ，v o i dd i s t r i b u t i o n ，s p l i t t i n gt e n s i l e s t r e n g t h ，v o i dr e d u c t i o nb e h a v i o r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 图目录 图1 1沥青混合料表面空隙1 图1 2多孔沥青混合料的空隙2 图1 3 基于c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 扫描的沥青混合料试件1 1 图1 4 技术路线图1 4 图2 1离散元模型1 5 图2 2 球球的接触。1 6 图2 3球墙的接触。l7 图2 4 对于球墙接触的法向确定18 图2 5 线性接触模型中的粘性阻尼2 l 图2 6 平行粘结模型2 3 图2 7p f c 中的b u r g e r s 模型2 4 图2 8 颗粒模型2 6 图2 9 颗粒集合形状2 6 图2 1 0 颗粒生成流程图2 7 图2 1 1墙边界2 8 图2 1 2 分格检索3 0 图2 1 3 一维质量弹簧系统3 0 图2 1 4 多维质量弹簧系统3 1 图3 1c t 扫描的马歇尔试件图像3 5 图3 2 多孔沥青混合料的概念模型3 5 图3 3三种情况下的应力及体积变化。3 6 图3 4 多孔固体的三种类型4 2 图3 5多孔沥青混合料的可视化图4 3 图3 6 六边形孔穴的蜂窝体4 3 图3 7 简化后的二维空隙模型4 4 图3 8 节点力学分析图4 4 图4 1蠕变曲线5 0 图4 2 干燥状态骨架体积模量与空隙体积模量的关系5 2 图4 3 饱和状态骨架体积模量与空隙体积模量的关系5 2 图4 4髟随时间f 的变化曲线5 7 图5 1沥青结合料的离散元模型6 0 图5 2 扫描后集料颗粒三维尺寸图6 1 图5 3不规则集料颗粒模型6 2 图5 4 两颗粒平行粘结模型6 2 图5 5b u r g e r s 模型的应用示例6 3 图5 6空隙率为4 的沥青混合料模型及其骨架的接触力图6 4 图5 7空隙率为8 的沥青混合料模型及其骨架的接触力图6 4 图5 8空隙率为2 0 的沥青混合料模型及其骨架的接触力图6 4 图6 1基于扫描试件的空隙简化模型图。6 7 图6 2p f c 2 d 模拟的空隙模型6 8 图6 3p f c 2 d 模拟的加载图。7 0 图6 4b u r g e r s 模型的位移矢量变化图7 l 图6 5 简单粘弹性模型的位移矢量变化图7 2 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 1 图7 1 图7 2 图7 3 图7 4 图7 5 图7 6 图7 7 图7 8 图7 9 图8 1 图8 2 图8 3 图8 4 图8 5 图8 6 图8 7 图8 8 图8 9 图8 1 0 图8 1 1 图8 1 2 图8 1 3 图8 1 4 接触粘结接触模型的位移矢量变化图7 2 平行粘结接触模型的位移矢量变化图7 3 等边三角形空隙模型的接触力7 5 正方形空隙模型的接触力7 6 正六边形空隙模型的接触力7 6 不同荷载作用下三种空隙模型的位移曲线7 7 间接拉伸试验的试样8 0 加载试验环境图，8 0 三种试样的加载图8 l a f p 材料的轴向力应变图、接触力矢量图及位移矢量图8 2 a c p 材料的轴向力应变图、接触力矢量图及位移矢量图8 2 a g p 材料的轴向力应变图、接触力矢量图及位移矢量图8 2 不同加载速率下的追踪项8 5 加载速率与轴向力的关系图8 7 加载速率与劈裂抗拉强度的关系图8 7 多孔沥青路面的离散元模型8 9 模型中颗粒间的接触力矢量图9 0 p f c 2 d 中的接触力变化图9 0 加载模型9 l 荷载作用下的变形图9 2 荷载作用前后面层结构中空隙的衰变图9 2 荷载作用后的颗粒位移矢量图一9 3 荷载作用后颗粒间的接触力图9 4 上面层颗粒x 方向的速度变化9 4 上面层颗粒y 方向的速度变化9 5 上面层颗粒转动速度的变化9 5 各层横向不同位置处的竖向位移曲线9 6 沿路面深度方向的位移曲线9 6 不同荷载下各层颗粒的位移9 8 表目录 表4 1体积模量参数的理论值5 6 表4 2 体积模量参数的预测值5 7 表5 1 b u r g e r s 模型的参数6 0 表6 1各空隙模型组成颗粒的微观参数6 8 表6 2 b u r g e r s 模型的微观参数6 8 表6 3 简单粘弹性模型的参数6 8 表6 4 接触粘结模型的参数6 8 表6 5 平行粘结接触模型的参数6 9 表6 6 等边三角形空隙模型施加的荷载6 9 表6 7 正方形空隙模型施加的荷载6 9 表6 8 正六边形空隙模型施加的荷载6 9 表6 9 正方形空隙模型典型颗粒的位移( m m ) 7 4 表6 1 0 正六边形空隙模型典型颗粒的位移( m m )7 4 表6 1 1b u r g e r s 模型不同荷载下颗粒的位移7 7 表7 1 平行粘结材料的微观参数7 9 表7 2 数值模拟的加载参数81 表7 3三种材料追踪的试验结果8 2 表7 4 不同加载速率的试样响应结果8 6 表8 1 面层材料的平行粘结模型参数9 1 表8 2 基层、底基层材料的接触粘结模型参数9 1 表8 3不同荷载作用下各结构层的颗粒位移( m m ) 9 7 符号及代号 a ( v ，叩) 一空隙崩溃系数( 空隙崩溃速度) 7 7 一沥青6 0 。c 粘度 一空隙率 爿川、薯【b 】一分别为球a 、球b 中心坐标矢量 d 一两球心之间的距离 n i 一球球接触的单位法向 r 【6 l 一球墙接触中球的半径 一6 】一球墙接触中球的中心坐标矢量 f ”、f 5 一分别为法向、切向接触力 u ”、u 。一分别为法向重叠、切向相对位移 k ”一法向刚度，大写表示割线模量 k 5 一切向刚度，小写表示切线模量 只一合力 m 一颗粒总质量 置平动颗粒质心加速度 吕一重力加速度 m 嘈力矩 ，一惯性矩 如一角加速度 d ”、一法向、切向阻尼力 巳、乞一法向、切向阻尼常数 y ”、y 5 一法向、切向接触速率 尾、肛一法向、切向阻尼率 洲、巳砷一法向、切向临界阻尼常数 q 、q 一非阻尼系统的自然频率 吒、t 一接触切线模量，即法向、切向刚度 堑”、够5 一平行粘结的法向、切向力增量 崛一平行粘结的力矩增量 万”、驴平行粘结的法向、切向刚度 u ”、8 平行粘结的法向、切向位移增量 色一平行粘结的转角增量 伤一平行粘结的法向单位矢量 彳一粘结横截面面积， u - - b u r g e r s 模型的总位移 蚝一k e l v i n 部分位移 “。一m a x w e u 部分位移 一接触力 k 、q k e l v i n 部分的刚度、粘度 k 、c 卅- - m a x w e l l 部分的刚度、粘度 一临界时步 卜系统固有振动周期 后一平动弹簧刚度 仃一正应力 s 一正应变 e 一弹性模量 g 一切变弹性模量 f 一剪切应力 ) ，一剪切应变 k 一多孔沥青混合料的体积模量 e 一多孔沥青混合料的杨氏模量 ，一泊松比 k 一空隙体积模量 一空隙的体积 a c t 一多孔沥青混合料及干燥空隙承受的应力改变量 蟛干燥多孔沥青混合料的体积模量 k 一多孔沥青混合料基质的体积模量 几、成、氏一干燥多孔沥青混合料的压缩系数、沥青混合料基质的压缩系数、 空隙的压缩系数 y 一多孔沥青混合料的总体积 k 一饱和状态的多孔沥青混合料的体积模量 髟一饱和状态的多孔沥青混合料中流体的体积模量 k 。一常压常温( 2 0 c ) 下的体积模量 一有效压力 丁温度 艺平均有效温度 己平均气温 互一与平均有效温度的最大偏差 瓦一有效温度 c 一路面材料热特性综合参数 p 一路面材料的密度 r 辐射热使气温增高为有效温度的平均增量 s 一路面材料的热容量 ，一基质材料密度 q 一劈裂抗拉强度 弓一峰值轴向力 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：南嘲阜 瑚罗年占月2 7e t 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弗嗣丰 砷年古月矽日 导师签名： 如伊j 月7 日 长安大学硕+ 学位论文 1 i 问题的提出 第一章绪论 高等级公路路面结构不仅应具备足够的结构性能以抵御千百万次行车荷载的重复 作用，还必须要具有良好的表面功能以保证车辆高速行驶时具有充分的舒适性和安全 性，普通的沥青混凝土路面可以满足上述对路面的传统通行要求。然而现代交通需要降 低行车产生的噪声、路面在雨水天气表面不积水、减少行车过程中产生的溅水、高速行 车不产生水雾、阳光照射下表面不产生眩光。对于根据连续级配原理组成的密级配沥青 混合料，其空隙率在4 左右，基本不透水；此外，根据非连续间断级配形成的骨架密 实结构，其空隙率在8 左右，对降噪、排水、抑制水雾及防止眩光的作用不明显。由 此提出了路面空隙应具有空间尺寸上较大及数量上较多的要求，多孔排水沥青路面 ( p a c ) 应运而生。从试验角度观察，普通沥青混合料与多孔排水沥青混合料的表面特 征亦可描述两种沥青路面的差异见图l1 。 ( a ) 普通沥青混合科( h ) 多孔沥青捏合料 图i l 沥青混合料表面空隙 由于路面能较快排除路表水，所以该种路面称为排水沥青路面( d r a i n i n g a s p h a l t ) ； 又由于该类型的沥青路面具有较大的空隙率，又称为多孔沥青路面( p o r o u s a s p h a l t ) 。 多孔沥青路面的降噪功能显著，可降低噪声3 d b 甚至更大，因而又称为低噪声沥青路 面( l o w - n o i s ea s p h a l tp a v e m e n t ) 。根据结构类型及路用性能要求，该种混合料采用间 断开级配，设计空隙率为1 5 蜘2 5 。多孔沥青混合料的空隙形式见图1 2 。 第一章绪论 集料半连通空隙 图1 2 多孔沥青混合料的空隙 多孔沥青路面最早起源于欧洲，上世纪六十年代首次在德国铺筑，一般空隙率范围 为1 5 2 5 ；美国使用该路面始于1 9 6 0 年，后来逐渐开始在世界各地推广，但各个 国家采用该类型路面的目的及技术标准有所差异。由于多孔沥青路面在使用性能上的突 出优势，如排除路表水、降低车辆行驶过程中的噪声等，在欧洲、美国、澳大利亚、日 一本得到了广泛地应用，特别是日本，高等级道路采用了大量的排水性路面，形成了日本 典型气候环境下的技术指标，日本道路协会根据已有的成熟整套技术体系编制了排水性 路面技术指南。我国也于九十年代末开始研究该路面，并在西安、广州等地的高等级公 路铺筑了试验段。我国首个建成通车的多孔沥青路面为西安咸阳机场高速公路，该路全 长1 8 2 4 1 k m ，路面结构为：6 c m a c 一2 0 i 沥青混凝土下面层+ 5 c m a c 1 3 i 沥青混凝土中面 层+ 5 c m o g f c 排水沥青混凝土上面层，其中高粘度改性沥青采用日本t p s 改性。 空隙是沥青路面的固有特征，多孔沥青路面更是如此，并且空隙在空间、数量上都 表现出与普通沥青混凝土路面不同的特点。空隙的变化对沥青路面的使用性能的影响是 不容忽视的研究方向。许多国家把多孔沥青路面空隙的研究纳入日程，意大利认为排水 路面的使用寿命约为5 8 年；法国对重交通排水沥青面层的应用调查表明，使用7 年后 其抗车辙及剥落性能仍令人满意，而使用2 8 个月后空隙率由2 0 下降为1 6 ，然后便 逐渐稳定在1 5 ，排水能力和降噪效果产生了较大幅度的降低。日本于1 9 8 7 引进该技 术，最初的排水路面因交通繁忙、气候恶劣、骨料来源困难等因素，导致路面使用一年 之后空隙损坏和堵塞而使性能衰退，近年来日本结合其国家的荷载、环境气候条件进行 了具体研究，尤其是使用高粘度沥青之后，耐久性能显著提高，成功的案例使用寿命可 达1 0 年。 多孔沥青路面优良的使用性能来源于其具有连通的较大结构空隙，一旦结构空隙发 生衰变，包括空隙的结构空间减小及空隙数量的减少都会使得多孔沥青路面的使用性能 大幅度的降低。路面中骨料( 包括外面裹附的沥青胶浆) 之间的接触关系为点点、点面 2 长安大学硕士学位论文 和面面接触交织在一起，荷载作用下不稳定的点接触将向稳定的面接触演化，骨架在此 过程中会产生相应的变形，骨架的变形导致空隙结构的变化，包括空隙数量的变化和分 布的变化，即结构空隙随时间的衰变问题( 由于材料本身的空隙对排水路面使用性能影 响不大，因此这里主要考虑结构空隙) 。 本文以多孔沥青混合料为载体，综合运用多孔固体力学理论、线弹性连续介质理论 和离散元方法对沥青混合料的空隙信息进行深入研究，分析空隙的力学特性及空隙的衰 变模型，揭示相应的空隙衰变规律。 1 2 国内外研究现状 自然界的固体和流体可近似为连续介质，更多的材料从微观角度可认为是由成千上 万的颗粒或散体组合而成的。颗粒材料存在于自然界的各个角落，与人类的生产生活息 息相关，如自然界中的土壤、砂、泥石流、浮冰；生产中的煤炭、矿石、混凝土、陶瓷； 生活中的粮食、糖、食盐及药物等等，颗粒材料一般是指由尺寸大于l , u m 的离散颗粒 组成的宏观体系。对于具体的研究对象不论是基于离散颗粒还是假设为连续介质，都会 对结果产生或多或少的误差，但是可以根据具体的需要选择不同的分析模型。 在一定范围内、一定意义上，把材料离散成颗粒更接近其微观组成，但是当所研究 对象内部的不连续性对研究结果的影响可以忽略时，连续介质可以发挥其特有的优势。 本文的研究内容主要着眼于利用连续与离散两种思维方法来分析沥青混合料的空隙衰 变问题。 国内外对颗粒材料的研究较为重视，但是由于颗粒材料与连续介质材料相比，具有 特殊的力学特性，给认识和研究带来了较大的挑战，颗粒材料的特殊性与连续介质相比， 主要有以下几个方面： ( 1 ) 理想的连续介质材料卸载时只有弹性变形，而颗粒系统的变形是由颗粒移动所产 生的结构变形和颗粒的自身变形共同引起的，结构变形在加载和卸载时都会产生，并且 是不可恢复的，这与常见的连续介质材料有很大的区别； ( 2 ) 理想的连续介质材料在常规静水压力作用下只产生弹性变形而不产生不可恢复 的体积变形，而颗粒材料系统则与之相反； ( 3 ) 理想的线性连续介质材料的静水压力与剪应变、剪应力与体应变之间无耦合关 系，而颗粒材料系统则具有压硬性和剪胀性； 第一章绪论 ( 4 ) 同一种颗粒系统在不同初始密度情况下可表现出不同的硬化或软化特性，并且其 软化特性是一种结构软化； ( 5 ) 理想连续介质材料的弹塑性有明显的分界面，而颗粒集合体则没有明显的弹塑性 阶段。 1 2 1 连续介质力学方法 连续介质力学( c o n t i n u u mm e c h a n i c s ) 是物理学( 特别是力学) 中的一个分支，是处理 包括固体和流体的在内的所谓“连续介质宏观性质的力学。 连续介质力学的最基本假设是“连续介质假设”：即认为真实的流体和固体质点在 空间上可以近似看作连续的，由充满整个空间的介质组成，物质的宏观性质依然服从牛 顿力学定律。这一假设忽略物质的具体微观结构( 对固体和液体微观结构研究属于凝聚 态物理学的范畴) ，而用一组偏微分方程来表达质