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雨水入渗后车辆荷载作用下路面结构内将产生动水压力,反复冲刷引起沥青混合料粘结性能退化,出现早期水损害。本文通过饱和沥青路面有限元宏观模拟、沥青集料界面室内试验和多孔沥青混凝土细观力学行为模拟,将多尺度模拟与室内试验相结合,基于动水压力和沥青集料界面理论开展了排水沥青路面耐久性相关研究。
首先,基于多孔介质理论,利用 COMSOL Multiphysics?软件建立了动态荷载下流固耦合三维有限元模型,比较分析了不同沥青路面结构内孔隙水压力大小和分布,排水层厚度、不同参数交互作用对结构内孔隙水压力的影响。研究发现,排水层数增加,孔隙水压力减小,密级配沥青路面正向孔隙水压力峰值约为负向的3倍,而排水沥青路面正向孔隙水压力峰值约为负向的1~2倍。由全面模拟结果所得,单层排水沥青路面孔隙水压力的各参数敏感性由大到小依次为渗透系数,轮载峰值,车速。
其次,分析了不同渗流阶段孔隙水压力变化,探究了拱形垂直移动荷载下排水沥青路面结构内孔隙水压力空间分布、车速和轮载影响以及动力响应。研究结果表明,随着渗流发展,孔隙水压力幅值小幅减小。路面结构内孔隙水压力集中在轮迹附近,正负孔隙水压力交替出现符合车辆荷载的移动特性,车速和轮载与结构内孔隙水压力线性相关。沥青混合料各向渗透性能和应力分布,共同影响各向的压力梯度和渗流流速,路面纵向上孔隙水压力影响更甚,路面结构内三向应力应变,较为复杂,但应力分布符合车辆移动特性。
再次,通过高速剪切仪制备了不同粘度 SBS 改性沥青,由沥青集料界面粘结强度试验,探究了沥青集料粘附性能与沥青粘度相关性关系。试验结果表明,当SBS掺量高于6%时,沥青粘度显著增加。沥青粘度越高,沥青集料界面破坏形式转变临界温度越大,可选用 30℃沥青粘度作为试验最佳温度。沥青粘度与沥青集料粘结强度有很高的逆指数关系。
最后,基于内聚力模型与ABAQUS软件,通过CT技术、数字图像处理及Matlab编程,建立真实细观结构二维模型,开展了沥青混凝土细观力学行为研究。研究结果表明,多孔沥青混凝土开裂路径,沿着空隙大的薄弱处,其损伤开裂演化主要包括损伤、起裂、微裂纹扩展和完全开裂四个阶段。动水冲刷导致的沥青集料粘结强度降低,通过不同沥青集料界面材料参数定义,可评价动水损伤下多孔沥青混凝土潜在的抗裂性能。
本文从排水沥青路面早期水损害成因入手,通过宏观上沥青路面结构内动水压力模拟明晰动水损害作用机理,通过室内试验,建立了沥青集料粘度与强度的相关关系,定量评价不同粘度沥青粘结性能,结合细观尺度力学分析沥青集料界面破坏与粘结强度关系,对于提高多孔沥青混合料强度和排水沥青路面耐久性有重要价值。
首先,基于多孔介质理论,利用 COMSOL Multiphysics?软件建立了动态荷载下流固耦合三维有限元模型,比较分析了不同沥青路面结构内孔隙水压力大小和分布,排水层厚度、不同参数交互作用对结构内孔隙水压力的影响。研究发现,排水层数增加,孔隙水压力减小,密级配沥青路面正向孔隙水压力峰值约为负向的3倍,而排水沥青路面正向孔隙水压力峰值约为负向的1~2倍。由全面模拟结果所得,单层排水沥青路面孔隙水压力的各参数敏感性由大到小依次为渗透系数,轮载峰值,车速。
其次,分析了不同渗流阶段孔隙水压力变化,探究了拱形垂直移动荷载下排水沥青路面结构内孔隙水压力空间分布、车速和轮载影响以及动力响应。研究结果表明,随着渗流发展,孔隙水压力幅值小幅减小。路面结构内孔隙水压力集中在轮迹附近,正负孔隙水压力交替出现符合车辆荷载的移动特性,车速和轮载与结构内孔隙水压力线性相关。沥青混合料各向渗透性能和应力分布,共同影响各向的压力梯度和渗流流速,路面纵向上孔隙水压力影响更甚,路面结构内三向应力应变,较为复杂,但应力分布符合车辆移动特性。
再次,通过高速剪切仪制备了不同粘度 SBS 改性沥青,由沥青集料界面粘结强度试验,探究了沥青集料粘附性能与沥青粘度相关性关系。试验结果表明,当SBS掺量高于6%时,沥青粘度显著增加。沥青粘度越高,沥青集料界面破坏形式转变临界温度越大,可选用 30℃沥青粘度作为试验最佳温度。沥青粘度与沥青集料粘结强度有很高的逆指数关系。
最后,基于内聚力模型与ABAQUS软件,通过CT技术、数字图像处理及Matlab编程,建立真实细观结构二维模型,开展了沥青混凝土细观力学行为研究。研究结果表明,多孔沥青混凝土开裂路径,沿着空隙大的薄弱处,其损伤开裂演化主要包括损伤、起裂、微裂纹扩展和完全开裂四个阶段。动水冲刷导致的沥青集料粘结强度降低,通过不同沥青集料界面材料参数定义,可评价动水损伤下多孔沥青混凝土潜在的抗裂性能。
本文从排水沥青路面早期水损害成因入手,通过宏观上沥青路面结构内动水压力模拟明晰动水损害作用机理,通过室内试验,建立了沥青集料粘度与强度的相关关系,定量评价不同粘度沥青粘结性能,结合细观尺度力学分析沥青集料界面破坏与粘结强度关系,对于提高多孔沥青混合料强度和排水沥青路面耐久性有重要价值。