（道路与铁道工程专业论文）不同受力模式下沥青混合料变形与破坏特征研究.pdf

r e s e a r c ho nd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d d a m a g ec h a r a c t e r i s t i c so f a s p h a l tm i x t u r eu n d e rd i f f e r e n ts t r e s sp a t t e r n b y l is h u a i b e ( h a r b i ni n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g l n d i s c i p l i n er o a da n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g m c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h e n g j i a n l o n g & a s s o c i a t e p r o f e s s o rq i a ng u o p i n g m a y , 2 0 1 1 长沙理工大学 果。黑雷量茎竺兰兰苎三人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 纛喜三主耋黧芝凳黧竺2 容外，本论文不主二蒜罘麓罴篆 罢嚣鬈篡= 篡竺峨撇个戈淼葛三篡；：翥誉 标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。一r 一蚓巴仕又甲以明确方式 作者躲慈哕 日姆：| 年鹇1 日 学位论文版权使用授权书 酴篡= 篡二跫警吣南学位蝴磊枷意撇啪 蠹薹鬻詈：篓耄竺篓詈竺件和电子版，允许毒嚣淼暑蒿翟裳 鬻黧萎竺黧竺黼枞磊蒜篡；篆 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 “刚。皿倥糸口j 以采用影 1 、保密口，o 年解密后适用本授权书。 2 、不保密乩 框内打“妒，) 2 0 1 1 年阳旧 2 q n 年剐e l 摘要 沥青混合料作为一种粘弹性材料，在外界环境和交通荷载的作用下，会产生变形， 导致沥青路面结构内部将出现损伤；随着荷载作用次数的增加，变形将不断积累，损伤 将不断演化，路面结构与材料抵抗变形的能力亦将发生衰变，即使在相同的荷载作用下， 沥青路面结构的力学响应场也会发生很大变化。然而不同的试验方法和不同的加载速率 下测定的沥青混合料劲度模量和强度值不同，而模量和强度取值不同，又会极大地影响 路面结构层的应力、应变和位移计算结果，从而严重影响沥青路面设计。 因此，针对不同受力模式下沥青混合料的变形特性和破坏特征进行系统研究，有效 认识沥青路面材料在荷载不同作用方式下的破坏原因，为建立沥青混合料破坏准则奠定 基础，为建立沥青混合料的强度理论提供依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。 沥青混合料动态模量随荷载水平的变化而为变化，通过施加不同荷载得到每种试验 方式下动态模量随应力水平的变化，直接拉伸试验、抗压试验、劈裂试验和弯拉试验分 别在0 3 7 m p a 、0 3 8 m p a 、0 1 4 m p a 和0 8 8 m p a 下取得最大动态模量。最后对不同受力模 式下的动态模量的主曲线进行了研究。 通过静态蠕变试验来研究路面材料在恒应力下的变形情况，首先推导并建立了三种 蠕变损伤方程，并利用损伤模型对b u r g e r s 模型进行了修正，结果证明修正b u r g e r s 模 型可以较好的表征蠕变变形过程。 通过不同加载速率下的强度来研究沥青混合料破坏特征。通过试验得到了强度随加 载速率的变化规律，并发现沥青混合料强度不同试验条件下得到的强度值以及试件的断 面形态不一样。 本文进行沥青混合料抗压试验模拟，通过数值模拟结果可知，沥青混合料的强度随 加载速率的增大先快速增大，随后逐级平稳，呈幂指数形式，与室内试验结果一致；空 隙率随加载速率的增大先减小后增大。 关键词：沥青混合料：加载频率；动态模量；蠕变；强度；结构组成；p f c 3 d a b s t r a c t a s p h a l tm i x t u r e ，a sav i s c o e l a s t i cm a t e r i a l ，w i l ld e f o r mu n d e rt h ee x t e m a le n v i r o n m e n t a n dt h er o l eo ft r a f f i cl o a d ，w h i c hc a u s et h ei n t e r n a ls t r u c t u r ed a m a g eo fa s p h a l tp a v e m e n t w i mt h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fl o a d ，t h ed e f o r m a t i o nw i l lc o n t i n u e t o a c c u m u l a t e ，d a m a g e w i l lb ee v o l v i n g ，a b i l i t yt or e s i s td e f o r m a t i o no fp a v e m e n ts t r u c t u r ea n dm a t e r i a lw i l ld e c a y e v e ni nt h es a m el o a d ，t h em e c h a n i c a lr e s p o n s eo fa s p h a l tp a v e m e n tw i l tc h a n g ed r a m a t i c a l l y m i x t u r es t i f f n e s sm o d u l u sa n ds t r e n g t hv a l u e sa r em e a s u r e dd i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n tt e s t m e t h o d sa n dd i f f e r e n tl o a d i n gr a t e h o w e v e r ，d i f f e r e n tv a l u e so fm o d u l u sa n ds t r e n g t hw i l l g r e a t l ya f f e c tt h ep a v e m e n tl a y e rc a l c u l a t i o nr e s u l t so fs t r e s s ，s t r a i na n dd i s p l a c e m e n t ，t h u s s e r i o u s l ya f f e c t i n ga s p h a l tp a v e m e n td e s i g n d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dd a m a g ec h a r a c t e r i s t i c so fa s p h a l tm i x t u r eu n d e r d i f f e r e n tm e c h a n i c a lt e s tm e t h o d sh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e ， w h i c hc a nr e v e a lt h ed e s t r u c t i o nr e a s o n so fa s p h a l tp a v e m e n tm a t e r i a l su n d e rl o a d so f d i f f e r e n tm o d eo fa c t i o n a s p h a l tm i x t u r ed y n a m i cm o d u l u sc h a n g e 诵t l ll o a dl e v e l ，t h e nt h el a wo fd y n a m i c m o d u l u sc h a n g e d 、航ms t r e s sl e v e li so b t a i n e d , t h em a x i m u md y n a m i cu n d e rm o d u l u so f d i r e c tt e n s i l et e s t , c o m p r e s s i o nt e s t ，i n d i r e c tt e n s i l et e s ta n db e n d i n gt e n s i l et e s ta r eo b t a i n e d r e s p e c t i v e l yi n0 3 7 m p a , o 3 8 m p a , 0 1 4 m p aa n d0 8 8 m p a f i n a l l y ，d y n a m i cm o d u l u s m a s t e r c u r v eu n d e rd i f f e r e n tl o a d i n gm o d e sw a gs t u d i e d s u r f a c em a t e r i a l sd e f o r m a t i o nu n d e rc o n s t a n ts t r e s si ss t u d i e db yt h es t a t i cc r e e pt e s t ， t h r e ec r e e pd a m a g ee q u a t i o na r ed e r i v e da n de s t a b l i s h m e n t ，a n db u r g e r sm o d e li sm o d i f i e db y d a m a g em o d e l ，t h er e s u l t sp r o v e t h a t t h e c r e e p d e f o r m a t i o np r o c e s sc a nb eb e t t e r c h a r a c t e r i z e db yb u r g e r sm o d e l a s p h a l tm i x t u r ed e s t r u c t i o nf e a t u r e s a r er e s e a r c ht h ei n t e n s i t yu n d e rd i f f e r e n tl o a d i n g r a t e s 1 1 1 er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e n g t ha n dl o a d i n gr a t ei s o b t a i n e d ，a s p h a l tm i x t u r e s s t r e n g t hv a l u e sa n ds p e c i m e nc r o s s s e c t i o ns h a p ea r ed i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n tt e s tc o n d i t i o n s c o m p r e s s i o nt e s to fa s p h a l tm i x t u r e si ss i m u l a t e da sac y l i n d e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r ei n c r e a s e sw i t ht h el o a d i n gr a t ei n c r e a s e s r a p i d l yf i r s t ，f o l l o w e db yg r a d u a ls m o o t h ，p r e s e n t i n go nt h ep o w e rf u n c t i o nf o r m ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t hi n d o o rt e s tr e s u l t s p o r o s i 够d e c r e a s e sf i r s ta n dt h e n i n c r e a s e s 、析mi n c r e a s i n gl o a d i n gr a t e k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；l o a d i n g 丘e q u e n c y ；d y n a m i cm o d u l u s ；c r e e p ；s t r e n g t h ；s t r u c t u r e a n dc o m p o s i t i o n ；p f c 3 d i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 沥青混合料室内力学试验方法概况2 1 2 2 沥青混合料变形特性研究概况4 1 2 3 沥青混合料离散元模拟研究概况5 1 3 本文的研究内容、技术路线及预期成果6 1 3 1 本文的研究内容6 1 3 2 本文的技术路线7 第二章沥青混合料材料设计及试验方法 2 1 原材料试验及配合比设计8 2 1 1 沥青材料试验8 2 1 2 矿料级配的确定8 2 1 3 马歇尔试验确定最佳沥青用量9 2 2 沥青混合料常用室内试验简介l l 2 2 1 单轴压缩试验。l l 2 2 2 弯曲试验。1 2 2 2 3 直接拉伸试验1 2 2 2 4 劈裂试验。1 3 2 3 本章小结1 3 第三章沥青混合料动态模量研究 3 1 沥青混合料动态模量试验条件1 5 3 1 1 试验方法1 5 3 1 2 试验频率和荷载的确定。1 7 3 2 沥青混合料动态模量随荷载和频率变化规律1 9 3 2 1 直拉动态模量1 9 3 2 2 抗压动态模量2 2 3 2 3 劈裂动态模量2 3 3 2 4 弯拉动态模量。2 5 3 3 不同受力模式下动态模量结果对比分析2 6 3 3 1 不同受力模式下动态模量结果2 6 3 3 2 沥青混合料动态模量主曲线2 9 3 4 本章小结3 1 第四章沥青混合料蠕变特性研究 4 1 沥青混合料的变形原理：3 2 4 1 1 沥青混合料的变形现象3 2 4 1 2 沥青混合料基本流变力学模型3 2 4 2 沥青混合料蠕变断裂损伤研究3 6 4 2 1k a c h a n o v 脆性蠕变断裂3 6 4 2 2h o f f 韧性蠕变断裂3 8 4 2 3 基于体积不变原理的蠕变损伤4 0 4 3 沥青混合料蠕变变形研究4 2 4 3 1b u r g e r s 模型评价沥青混合料的蠕变特性4 2 4 3 2 基于h o f f 韧性蠕变损伤的b u r g e r s 修正模型4 3 4 3 3 基于非线性疲劳损伤方程的b u r g e r s 修正模型4 5 4 5 本章小结- 一4 8 第五章沥青混合料破坏特征研究 5 1 沥青混合料的强度形成原理4 9 5 1 1 沥青混合料的组成结构4 9 5 1 2 沥青混合料的强度原理5 0 5 1 3 沥青混合料的强度理论与强度参数5 1 5 2 沥青混合料强度的速度特性研究5 2 5 2 1 沥青混合料强度试验条件5 2 5 2 2 沥青混合料强度试验结果5 3 5 2 3 沥青混合料的强度包络线5 7 5 2 4 不同受力模式下沥青混合料强度试验结果对比分析5 8 5 3 沥青混合料破坏特征6 2 5 3 1 沥青混合料破坏模式6 2 5 3 2 沥青混合料的破坏过程与破坏断裂位置“ 5 3 3 沥青混合料断面形态6 7 5 3 4 沥青混合料不同破坏形态的机理6 8 5 4 本章小节6 9 第六章沥青混合料离散元细观分析 6 1 沥青混合料的细观数值模拟方法简介7 0 6 2 离散元的基本原理7 l 6 2 1 基本方程7 1 6 2 1 求解过程7 2 6 3 沥青混合料p f c 3 d 离散元虚拟试验7 3 6 3 1 沥青混合料结构离散化7 3 6 3 2 沥青混合料p f c 3 d 模型7 5 6 4 沥青混合料p f c 3 d 虚拟试验结果及分析7 6 6 4 1p f c 3 d 试件内部受力和空隙率变化全过程分析7 6 6 4 2p f c 3 d 试验强度随加载速率的变化规律7 7 6 4 3p f c 3 d 试件空隙率随加载速率变化的规律7 9 6 5 本章小结：8 0 第七章结论与展望 7 1 主要结论8 1 7 2 主要创新点8 2 7 3 不足与进一步研究的展望8 2 参考文献8 3 刭c谢8 7 附录8 8 第一章绪论 1 1 研究背景 沥青路面是我国高等级公路路面的主要形式，其质量好坏直接影响公路的运营能力 和安全舒适性。我国在高等级道路沥青路面多年的建设实践中，积累了丰富的经验、解 决了许多关键技术问题。但从近年来已投入运营的沥青路面使用状况来看，不少未达到 使用年限即出现了较严重的功能衰减和结构损坏。我国沥青路面虽然已有几十年的发展 历史，但其设计理论基本上是在上世纪七十年代至九十年代初一系列研究成果的基础上 建立起来的，受当时科技水平的限制，所依托的工程道路等级低、交通车辆荷载小、运 行速度慢、施工技术落后。近年来，随着经济的发展和技术水平的提高，道路交通状况 发生了较大变化，路面材料与结构及施工技术水平有了长足进步，虽然此后针对高速公 路沥青路面也开展过一些研究，但在路面设计的基础理论方面一直没有取得突破性进展， 导致我国的沥青路面设计理论与当前交通发展现状不相适应。 沥青混合料作为一种粘弹性材料，在外界环境和交通荷载的作用下，会产生变形， 导致沥青路面结构内部将出现损伤：随着荷载作用次数的增加，永久变形将不断积累， 损伤将不断演化，路面结构与材料抵抗变形的能力亦将发生衰变，即使在相同的荷载作 用下，沥青路面结构的力学响应场也会发生很大变化，然而试验方法不同，所测定的变 形不同，测定的沥青混合料劲度模量也不同，而模量取值不同，又会极大地影响路面结 构层的应力、应变和位移计算结果，从而严重影响沥青路面设计。同时，沥青混合料的 模量与沥青性质及集料组成有关。这样不同的沥青混合料，不同的试验方法，特别受温 度与加载速度的控制，使得所测结果相差较大。因此，重复荷载作用和恒应力作用下材 料的变形特性是正确认识其路用性能的核心内容。 调查表明，在车辆荷载作用和环境因素影响下，我国高等级公路沥青路面产生不同 类型、不同程度的病害，主要病害类型有两种：一是车辙，二是裂缝，前者主要是沥青 混合料剪切强度不足而发生过大剪切变形的结果，与沥青混合料的高温性能有关；后者 与沥青混合料的低温断裂强度有关。如何减少沥青路面车辙、裂缝，怎样提高沥青混合 料的剪切强度和断裂强度成为重要问题。特别是近些年来，重载车辆的大幅增加对沥青 路面的结构强度提出更高的要求，刚性基层沥青路面结构型式越来越多地被应用到生产 实践中。对于这种沥青路面结构而言，普遍认为基层起结构性作用，而沥青面层发挥功 能性作用，但沥青面层功能实现的前提是沥青混合料强度满足要求。可以看出，沥青混 合料强度的高低直接影响沥青路面质量的好坏。因此，如何提高沥青混合料强度是个关 键问题。 由于缺乏强度理论的系统研究，对沥青混合料进行强度试验以及强度取值时存在着 任意性问题。直接拉伸试验、间接拉伸试验、弯拉试验及无侧限抗压等试验方法的加载 条件、加载速度、受力状态不同，所得到的强度指标不尽相同，研究者却较少从强度理 论的角度研究这些破坏现象之间的内在联系与规律，从而导致设计时所选用的沥青混合 料的强度指标存在着随意性，其结果对结构设计的科学性影响是不言而喻的【l 】【8 】。 因此，针对不同受力模式下沥青混合料的变形特性和破坏特征进行研究，为弄清不 同受力模式下沥青路面材料变形和破坏特点，为揭示路面在不同荷载作用下的破坏原因 和建立沥青混合料破坏准则奠定基础，为建立沥青混合料的强度理论提供依据，具有重 要的理论意义和工程应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 沥青混合料室内力学试验方法概况 沥青混合料的力学试验方法主要有：单轴压缩试验( 表1 i ) 、劈裂试验( 表1 2 ) 、 弯曲试验、直接拉伸试验、三轴试验和剪切试验【9 】【1 3 1 。 表i i 沥青混合料单轴压缩试验方法 试验方法试件尺寸加载速率试验温度 我国现规程直径1 0 0 d ：2 m m模量：2 0 - 士- 0 5 c 2 m m m i n j t j 0 5 2 2 0 0 0 高1 0 0 d ：2 m m弯拉应力：1 5 = i - - 0 5 c 我国原规程5 0 * 5 0 ，7 0 幸7 0 3m m m i n2 0 - 士- 0 5 沥2 0 3 8 31 0 0 1 0 0 a s t l 订 直径1 0 1 6 ：1 ：2 5 m m 高 5 0 8m m m i n2 5 ：1 = i d 1 7 41 0 1 6 = 1 ：2 5 m m a a s h t o 直径1 0 1 6 j ：2 5 m m 高 5 0 8m m m i n2 5 士l t 1 6 71 0 1 6 ：1 ：2 5 m m 表1 2 沥青混合料劈裂试验方法 试验方法试件尺寸加载速率试验温度 直径1 0 1 6 士0 2 5 m m 厚6 3 5 士i 3 m m ； 我国现规程 钻芯直径1 0 0 - a ：2 m m5 0m m m i n1 5 士- 0 5 j r j 0 5 2 2 0 0 0 直径1 5 0 d ：2 5 m m ，厚4 5 士5 m m 我国原规程直径1 0 0 d ：2 m m 1m m m i n 未作规定 沥2 0 3 8 3 厚1 0 0 d ：2 m m a s t m 直径1 0 1 6 士0 2 5 m m 5 0m m m i n5 、2 5 、4 0 l d 4 1 2 3 厚6 3 5 4 - 1 3 m m 2 a a s h t o 直径1 0 2 r a m 5 0m m m i n t 2 8 3直径1 5 2 4 m m 直径1 0 1 6 4 - 0 2 5 m m 厚6 3 5 4 - 1 3 m m ； 英国5 0m m m i n 钻芯直径1 5 0 4 - 2 。5 m m ，厚4 0 5 0 r a m 第1 8 届世界道直径1 0 1 6 士o 2 5 r a m- i o c 时1 8m m m i n , 2 51 0 、2 5 、4 5 路会议报告厚6 3 5 4 - 1 3 m m和4 5 时5 1m m m i n 我国原试验规程( 沥2 0 3 8 3 ) 采用双点加载，实践证明这种加载方式费时，影响试 件温度控制。我国“七五”国家科技攻关项目中采用中点加载弯曲试验，小梁试件的长宽 高为2 5 0 m m * 2 5 m m * 3 0 m m ，加载速率为5 或5 0 m m m i n ，试验温度2 0 - 2 0 。现行 试验规程弯曲试验采用跨中加载方式，试验温度为1 5 ，用于评价低温拉伸性能时采用 1 0 ，加载速率为5 0 m m m i n ，小梁试件长宽高为2 5 0 m m * 3 0 m m * 3 5 m m 。国外弯曲试 验也有使用长宽高为3 8 1 m m 8 2 5 5 m m 8 2 5 5 m m 的小梁试件的，试验温度2 0 6 c 、3 9 、3 7 2 ，选择0 5m m m i n 的加载速率来模拟温度应力。 ，h a a s 曾用环氧树脂将拉板黏贴在小梁试件的两端，对拉板施加一定荷载，测得试件 的抗拉强度。国外有研究者将m t s 试验机与h a a s 试验系统相结合，测试“八字”形状试 件的抗拉强度。国内也有不少研究人员针对直接拉伸试验容易产生偏心的缺点对小梁直 接拉伸试验作了进一步改进，利用环氧树脂把试件粘结拉头上，用球形铰接装置连接拉 头和试验仪器，防止试验过程中出现偏心，采用5r a m r a i n ，1 5 的试验条件进行直接 拉伸强度试验。 圆柱体的三轴压缩试验，从加载方法上说是压缩，从破坏方式来说是剪切。三轴试 验测定沥青混合料的粘聚力和内摩擦角两项指标，以此计算混合料的抗剪强度。虽然三 轴试验模拟路面受力状况较好，但试验设备复杂，试验要求高。 半圆弯拉试验( s c b ) 最早用于岩石力学试验。1 9 9 6 年，k r a n 1 4 1 等用该方法评价沥青 混合料的抗疲劳性能。1 9 9 7 年，s m i t t l 5 】用半圆弯拉试验评价沥青混合料的抗拉强度。 2 0 0 3 年r h o f m a n 等人用带来预设裂纹的半圆试样进行了静态等速加载和动态疲劳试验 试验，试验结果表明半圆弯拉试验具有较高的可重复性和再现性；2 0 0 5 年b a o s h a nh u a n g 等【1 6 1 对比了半圆弯拉强度和间接拉伸强度。2 0 0 7 年刘宇等用半圆弯拉断裂韧性试验研 究3 种应力吸收层的力学特性。 长沙理工大学郑健龙提出圆环剪切试验方法，该方法能有效模拟路面上轮胎周围受 力状况。同济大学孙立军提出单轴贯入试验方法，认为单轴贯入可以模拟实际路面的受 力状态，其试验结果与实际路面车辙变形也具有良好的相关性。张裕卿1 1 7 】采用对圆柱形 试件端面局部加载的思想设计了局部三轴重复加载永久变形试验装置。 综合比较各国的试验方法【9 】，方法种类多，采用的试验条件也不尽相同，对比性差； 不同试验方法之间也存在差异，如我国现行试验规程中，抗压试验、劈裂试验和弯拉试 3 验虽然试验温度一致，但是加载速率不完全相同，换算的应变率更是不同，见表1 3 ， 其中直接拉伸我国现行试验规范并没有明文规定，表中为常用试验条件。 表1 3 不同试验方法对比 抗压试验劈裂试验弯拉试验直接拉伸 试件成型方式静压、轮碾击实、轮碾 轮碾轮碾 1 0 0 奉1 0 01 0 1 6 * 6 3 5 试件规格( m i t t ) 2 5 0 * 3 0 * 3 52 5 0 * 5 0 * 5 0 4 0 * 4 - 0 * 8 0o 1 0 0 * 4 0 试验温度( ) 1 5 2 0 1 5 1 51 5 2 0 加载速率( m n v m i n ) 25 05 05 换算应变率( t r a i n ) 0 0 2 0 1 6 50 3 7 5 o 0 2 1 2 2 沥青混合料变形特性研究概况 ( 1 ) 沥青混合料动态模量研究概况 模量作为刚度的重要指标，一直用于评价沥青混合料的变形特性，在基于力学经 验法的沥青路面设计分析体系中，沥青混合模量参数选取相当关键，取值结果直接影响 设计结果。不同设计方法模量的试验方法和取值都有差异。a a s h t o 采用劈裂回弹模 量，甜采用沥青混合料的动态模量，壳牌采用沥青混合料的弯拉模量，澳大利亚采用 弯曲和间接拉伸模量，比利时路面设计法采用反复弯拉劲度模量，我国采用静载试验方 法测定沥青混合料的弯拉与抗压模量。 试验方法不同，测定的沥青混合料劲度模量也不同。越法为4 0 0 0 1 0 0 0 0m p a ，比 利时法1 5 时的动态模量为1 0 0 0 0 m p a ，壳牌法动模量为1 5 0 0 6 0 0 0m p a ，苏联法1 5 时动模量为1 3 0 0m p a 。其中，m 法和比利时法是动态弹性模量。壳牌法是速度慢的动 态模量，苏联法名义上虽说考虑了动载因素，实际上还是静弹性模量。我国沥青路面设 计指标和参数课题研究报告给出s b s 改性沥青动态模量为8 5 0 0 2 0 0 0 0 m p a 。 陈少幸等【1 8 】通过4 种不同测试方法得到了模量值的大小关系依次为：抗压动态模 量、弯拉动态模量、劈裂动态模量，反算模量。韦金城等【1 9 】得到沥青混合料的动态模量 和相位角随温度变化的规律。马林、张肖宁等【2 0 1 1 2 1 1 基于间接拉伸试验模式，研究沥青混 合料间接拉伸动态模量的分析和测定方法。李德超【2 2 j 对沥青混合料不同空隙率、不同温 度、不同加载频率条件下的动态模量进行了研究。武斌】研究了加载速率对混合料剪切 破坏模量影响。曹丽萍等【2 4 j 对沥青混合料恒温、变温条件下的变形特性进行了研究。 ( 2 ) 沥青混合料蠕变研究概况 1 9 9 1 年马里兰大学的w i t c z a k l 2 5 】用蠕变试验评价沥青混合料的性能。1 9 9 7 年，h a f e z 采用无侧限抗压蠕变试验进行沥青混合料性能研究，并开发了基于蠕变试验的一种可用 于s u p e r p a v e 混合料体积设计的稳定度计算程序。2 0 0 1 年k e k a l i u s 2 6 1 应用三轴试验、 静态蠕变和动态蠕变三种试验方法研究了沥青混合料蠕变变形特性。 4 2 0 0 3 年魏密【27 】采用单轴静载蠕变试验得出了沥青混合料在荷载作用下蠕变变形曲 线。2 0 0 4 年周晓清b 3 j 利用单轴压缩蠕变试验，从能量角度分析了沥青混合料的永久变 形，建立了耗散能与永久变形的关系。2 0 0 6 年王随原【2 9 】应用b u r g e r s 模型对不同温度及 荷载水平下的单轴静载蠕变试验结果进行了模拟。2 0 0 9 年樊统江【3 0 l 3 1 】等建立了沥青混 合料动态蠕变模量与动稳定度的关系。张丽娟等【3 2 】【3 3 】认为线性d r u c k e r p r a g e r 蠕变模型 可以预测重复荷载作用下沥青混合料的变形，可用于移动荷载下沥青路面结构的力学响 应分析。文献1 3 4 卜1 3 8 j 研究了不同温度下沥青混合料的蠕变特性。 ( 3 ) 沥青混合料强度及破坏特征研究概况 徐坤p 9 】通过间接拉伸试验发现，沥青混合料的破坏强度及强度参数c 值随着加载速 率增大而增大，内摩擦角对加载速率的变化不敏感。李好新等【删通过间接抗拉强度试验 试样的断面发现，小空隙率沥青混合料的破坏是带有大骨料的破坏，大空隙率下破坏断 面由沥青砂组成，没有大骨料的破坏。张蕾等【4 i 】采用数字图像测量方法发现粗骨料沥青 混合料呈脆性破坏趋势，细骨料沥青混合料在破坏前进入翅性屈服阶段。 目前，研究者较多的从影响沥青混合料强度的因素角度进行研究，对影响沥青混合 料强度的内部因素( 材料的组成、结构以及材料的性能) 和外部因素( 温度、荷载大小 及速率) 进行分析，而不同受力模式对沥青混合料强度影响的研究较少；沥青混合料时 温转换方面的研究很多，但是到目前还没有发现有人做过宽加载速率范围( 加载速率从 很小加载到很大1 条件下的强度全曲线。 1 2 3 沥青混合料离散元模拟研究概况 离散元方法是比较年轻的计算方法，c u n ( 谢l ( 1 9 7 1 ) 【4 2 】在接触力学的基础上建立了离 散元方法的基本理论，后来的b a l l 二维程序和t r u b a l 三维程序都是离散元的初步 成功计算程序。目前，离散元程序比较多，较为成功的有美国i t a s c a 咨询公司的p f c 系列及3 d e c u d e c 软件，另外英国a s t o n 大学的离散元程序亦很有影响。 r o t h e n b u r g 等人1 4 3 1 和c h a n g 、m e e g o d am 】利用d e m 法研究了粘弹性接触单元连接 的弹性集料间的相互作用，描述了不同类型的集料一集料和结合料一集料接触，沥青结 合料的粘弹性行为利用b u r g e r 模型描述，编制了一个沥青混合料微观力学模型a s b a l 程序。c h a n g 等【4 5 】采用离散元程序分析了沥青混合料的微观力学特性。y o u 等 4 6 1 验证了 离散单元法解决沥青混合料问题的可靠性。1 9 9 5 年，p l a x i c o 等报道了应用细观力学方 法分析树脂玛蹄脂复合材料的粘弹性特性，1 9 9 6 年又提出了橡胶改性沥青的细观力学模 型。1 9 9 7 年，z h u 提出了基于集料胶结料集料接触力学模型的沥青混合料构成理论。 a b b a s 4 7 】应用离散单元理论分析了不同温度下沥青材料的黏弹反应。b u t t l a r 和y o u 【4 9 】分 别于2 0 0 1 年和2 0 0 5 年利用二维d e m 模拟沥青混合料间接拉伸试验，颗粒间的相互作 用采用了线性接触模型。2 0 0 4 年，b u t t l a r 等【5 0 】建立了沥青砂胶细观力学模型，该模型 5 考虑了沥青材料硬化以及颗粒问相互作用对沥青混合料强度的影响。s a d s l l 和d a l e 5 2 1 等 研究了沥青混合料粘弹性行为的微观模拟。 在国内，王端宜等【5 3 1 1 5 4 1 1 5 5 l 应用离散元软件实现了级配设计的可视化，并模拟了集 料的剪切性能。肖昭然等【5 6 】【5 7 1 5 酗用离散元模拟对沥青混合料的蠕变过程。黄晚清等【5 9 】 运用离散元模拟了重力场内集料间的微观作用。 基于离散单元法的沥青混合料细观力学行为模型研究工作相对较少，且主要集中在 国外。而且国内外大部分研究者都采用二维离散元软件，二维模型无法考虑三维试件中 集料之间的相互嵌挤作用，因此，本文中采用三维离散元软件p f c 3 d 模拟沥青混合料 的单轴压缩过程，从数值模拟角度分析沥青混合料的变形特性和破坏特征。 1 3 本文的研究内容、技术路线及预期成果 1 3 1 本文的研究内容 本选题源于国家自然科学基金重点项目“沥青路面若干基础理论问题研究”。本选题 意在研究直接拉伸试验、抗压试验、劈裂试验和弯拉试验条件下沥青混合料的变形和破 坏，文中通过动态模量和蠕变来研究沥青混合料在重复荷载和恒定荷载作用下的变形特 性，通过不同加载速率下的强度试验来研究沥青混合料的破坏特征；最后进行离散元软 件p f c 3 d 虚拟试验来模拟。 ( 1 ) 不同受力模式下沥青混合料动态模量研究 在配合比和温度不变的条件下，进行不同频率下的沥青混合料模量试验，试验类型 包括直接拉伸试验、间接拉伸试验、抗压试验以及弯拉试验等简单力学试验；研究沥青 混合料动态模量和相位角随应力水平变化的规律；分析不同加载频率不同受力模式下动 态模量和相位角的变化规律；通过对动态模量的拟合得到试验温度下主曲线。 ( 2 ) 沥青混合料蠕变变形特征研究 进行不同应力水平下的直接拉伸蠕变试验，研究蠕变脆性断裂损伤、蠕变韧性断裂 损伤及基于体积不变原理的蠕变损伤；对b u r g e r s 模型进行修正，利用b u r g e r s 模型和 修正b u r g e r s 模型评价直接拉伸蠕变变形；通过s u p e r p a v ei d t 试验所得的能量指标评 价沥青混合料的变形能力。 ( 3 ) 不同受力模式下沥青混合料破坏特征研究 在配合比和温度不变的条件下，对沥青混合料进行不同加载速率的直接拉伸强度试 验、间接拉伸强度试验、抗压强度试验以及弯拉强度试验，建立沥青混合料强度随加载 速率变化的全曲线；建立沥青混合料不同受力模式下的强度换算关系；记录并分析不同 受力模式不同加载速率下沥青混合料的破坏特征。利用沥青混合料受力与其结构组成机 理的关系，初步解释相同条件下的沥青混合料在不同受力模式下强度差异明显的原因。 ( 4 ) 沥青混合料变形和破坏的离散元模拟 6 利用离散元软件p f c 进行抗压试验的数值模拟，选择和实际力学试验相同的试件尺 寸，得到各种加载工况下的接触力图和位移矢量图，观察虚拟试件的变形和破坏过程并 与实际试验变形和破坏过程进行对比分析，定性说明沥青混合料强度随加载速率的变化 规律。 1 3 2 本文的技术路线 具体研究内容如下，本文拟采取的技术路线如图1 1 所示： 图i i 本论文拟采取的技术路线 7 第二章沥青混合料材料设计及试验方法 2 1 原材料试验及配合比设计 2 1 1 沥青材料试验 试验所采用的结合料为东海牌s b s 改性沥青( 7 0 号基质沥青掺入s b s 改性剂) ， 基本性能试验结果见表2 1 。 表2 1s b s 改性沥青试验结果 试验项目试验结果技术要求 针入度( 2 5 c ，1 0 0 舀5 s ) ( o 1 m m ) 5 63 0 5 0 针入度指数p 1 0 5 3 3 ( r - - 0 9 9 7 )0 延度( 5 c m m i n ,