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        瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為的表征研究

        2022-04-26 09:17:44吳峰李鋼
        江蘇建材 2022年2期
        關(guān)鍵詞:模量力學(xué)彈性

        吳峰,李鋼

        (信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 信陽 464000)

        0 引言

        瀝青混合料的組成主要有細(xì)集料、 礦粉和瀝青等,所以其結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和多相性。 如果從荷載作用角度對其進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)其力學(xué)行為是比較復(fù)雜的。 因此,需要對瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為特點(diǎn)進(jìn)行深入分析,進(jìn)而改善其性能。

        1 瀝青混合料黏彈性力學(xué)內(nèi)容

        在我國建筑行業(yè)快速發(fā)展的背景下, 瀝青混合料得到了有效應(yīng)用。 其中一種典型的多相黏彈性復(fù)合材料,已被廣泛應(yīng)用于路面建設(shè),但受客觀因素和本身因素的影響, 瀝青道路會出現(xiàn)一些難以防治的病害,如裂縫等。 相關(guān)研究證實(shí)[1],通過對瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為和性能的研究, 能夠在明確瀝青混合料作用機(jī)理的基礎(chǔ)上, 達(dá)到對瀝青路面有效維修的目的,如圖1 所示。

        圖1 瀝青混合料的穩(wěn)定度對比

        黏彈性力學(xué)模型屬于當(dāng)前瀝青混合材料中的主要內(nèi)容,相關(guān)學(xué)者在以往的實(shí)驗(yàn)和理論知識上,建立能夠考慮溫度效應(yīng)的黏彈性力學(xué)模型, 通過對此模型的分析, 了解瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為表征。 此材料會隨著溫度升高,黏性不斷增強(qiáng),其彈性也會減弱。 在此基礎(chǔ)上,還要利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算黏彈性的參數(shù)。在不同的溫度下,建立Burgers 模型,然后從黏彈性材料的基本特性出發(fā),了解耗散能對損傷變量的影響。

        2 瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為的表征研究內(nèi)容

        2.1 建立Burgers 模型

        由于瀝青混合料黏彈性力學(xué)內(nèi)容比較復(fù)雜,為了對其行為表征進(jìn)行深入研究, 需要建立Burgers模型。 相關(guān)學(xué)者在此模型的基礎(chǔ)上,對老化瀝青混合料黏彈性的疲勞損傷程度進(jìn)行分析,通過直接拉伸試驗(yàn),對瀝青混合料黏彈性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,然后求出其損傷函數(shù)。 此外,我們還可以結(jié)合疲勞損傷模型推導(dǎo)出瀝青混合料的臨界損傷度和壽命計(jì)算公式,進(jìn)而對瀝青混合材料的黏彈性進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

        與靜態(tài)黏彈性力學(xué)比較,瀝青混合料的動(dòng)態(tài)黏彈性力學(xué)行為更能貼合路面的實(shí)際受力狀態(tài), 所以其已經(jīng)受到了研究者的關(guān)注。 在此背景下,研究人員也發(fā)展了多種動(dòng)態(tài)黏彈性能的模型,但是這些模型一般是經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,影響了瀝青混合料應(yīng)用的有效性。 因此,需要從材料的分?jǐn)?shù)階微分黏彈性理論內(nèi)容出發(fā), 將分?jǐn)?shù)階微分Burgers 模型有效地應(yīng)用到動(dòng)態(tài)黏彈性能表征中。 在此基礎(chǔ)上,相關(guān)的學(xué)者還要建立分?jǐn)?shù)階微分Zener 模型,然后采用此模型對瀝青混合料的實(shí)際黏彈性力學(xué)行為表征進(jìn)行研究,完善模型參數(shù),保證瀝青混合料應(yīng)用的有效性[2]。

        在對瀝青混合料動(dòng)態(tài)黏彈性進(jìn)行分析時(shí),一般都是以動(dòng)態(tài)模量和相位角對其進(jìn)行描述,還可通過復(fù)模量試驗(yàn)測得相關(guān)參數(shù)。 在此過程中,依據(jù)時(shí)間和溫度等效原理,將瀝青混合料在不同溫度及不同荷載頻率下的黏彈性能進(jìn)行分析。

        2.2 復(fù)模量試驗(yàn)

        在此實(shí)驗(yàn)中, 研究人員需在瀝青路面的表面層、 聯(lián)結(jié)層以及基層分別選取一種黏彈性力學(xué)行為,然后結(jié)合所加荷載的類型,將其分為靜態(tài)黏彈性力學(xué)行為和動(dòng)態(tài)黏彈性力學(xué)行為。在對靜態(tài)黏彈性力學(xué)行為進(jìn)行分析時(shí),主要是用蠕變?nèi)崃亢退沙谀A繉ζ溥M(jìn)行描述。同時(shí), 還可以通過蠕變和松弛試驗(yàn)對其參數(shù)進(jìn)行檢測,然后從動(dòng)態(tài)黏彈性力學(xué)理論角度對動(dòng)態(tài)的模量和相位進(jìn)行分析。 但是,由于在復(fù)模量試驗(yàn)中,會受到蠕變和松弛試驗(yàn)耗時(shí)的影響,所以在具體的實(shí)驗(yàn)中難以獲得更準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        這就需要從Boltzmann 的疊加原理出發(fā),對其進(jìn)行深入分析,可以應(yīng)用松弛模量,計(jì)算瀝青混合料黏彈性力學(xué)的實(shí)際響應(yīng)。 此外,要想得到更加準(zhǔn)確的松弛模量和蠕變?nèi)崃浚?還要從瀝青混合料的靜、動(dòng)態(tài)黏彈性力學(xué)性能和理論出發(fā),通過對復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果的分析,將其轉(zhuǎn)換成為松弛模量,從而進(jìn)一步提高瀝青混合料的應(yīng)用質(zhì)量。

        3 瀝青混合料靜動(dòng)態(tài)黏彈性力學(xué)性能的轉(zhuǎn)化方法

        3.1 理論基礎(chǔ)

        瀝青混合料的應(yīng)用與受力狀態(tài)和溫度等多種因素有關(guān),并且其本身還具有明顯的各向異性和不連續(xù)性。由于瀝青混合料在受載情況下經(jīng)常會表現(xiàn)出比較明顯的非線性黏彈性,所以過去在對其力學(xué)進(jìn)行分析時(shí),一般局限于線黏彈性,這會導(dǎo)致其優(yōu)良的力學(xué)性能得不到充分發(fā)揮。 因此,相關(guān)學(xué)者從黏彈性理論出發(fā),整合研究的重點(diǎn)內(nèi)容,為日后瀝青混合料應(yīng)用的安全性和有效性提供基礎(chǔ)[3],各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1 所示。

        表1 混合料路用性能指標(biāo)

        從理論角度對瀝青混合料進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其在車載作用下的應(yīng)變能力是比較小的, 并且其力學(xué)影響能夠滿足線黏彈性理論。 在此基礎(chǔ)上,還要分析靜、 動(dòng)態(tài)黏彈性力學(xué)性能的特點(diǎn),完善相互轉(zhuǎn)換步驟的方案,促進(jìn)動(dòng)態(tài)黏彈性力學(xué)性能向靜態(tài)黏彈性力學(xué)性能轉(zhuǎn)換,結(jié)合瀝青混合料的特點(diǎn),對復(fù)模量試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,然后在此基礎(chǔ)上沿著對數(shù)頻率坐標(biāo)軸,對其進(jìn)行適當(dāng)平移,最后構(gòu)成黏彈性能的主曲線。在此過程中,還要利用此模型,對黏彈性能的主曲線進(jìn)行科學(xué)模擬,進(jìn)而得到更加準(zhǔn)確的模型參數(shù),保證各黏彈性能主曲線的完善性。

        3.2 配置法

        在對瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為表征進(jìn)行分析時(shí), 要以瀝青混合料儲能模量主曲線為核心,然后通過對配置方式的合理應(yīng)用, 確定松弛模量和Prony 級數(shù)表達(dá)式中的相關(guān)參數(shù),并且還要對儲能模量和損耗模量主曲線的特點(diǎn)進(jìn)行分析,結(jié)合配置法,確定模型蠕變?nèi)崃恐械母鲄?shù)。 為了加強(qiáng)對配置法有效應(yīng)用,優(yōu)化上述計(jì)算方法的步驟,需要從瀝青混合料黏彈性力學(xué)出發(fā),對配置法進(jìn)行深入研究[4]。

        此方式是一種通過預(yù)選配置點(diǎn),對求解方程組進(jìn)行計(jì)算的方法, 在配置點(diǎn)上, 計(jì)算其試驗(yàn)值。配置法求解松弛模量的步驟和求解蠕變?nèi)崃康牟襟E相似,一般分為以下幾部分內(nèi)容。

        (1)首先研究人員需要利用模型對復(fù)模量試驗(yàn)中的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)模擬, 主要是為了得到更加準(zhǔn)確的儲能模量主曲線,然后再由儲能模量的主曲線對其中的平衡模量進(jìn)行計(jì)算。

        (2)設(shè)定求解的松弛模量Prony 級數(shù),保證配置點(diǎn)的科學(xué)性,結(jié)合儲能模量中的主曲線,將n 個(gè)配置點(diǎn)和主曲線有效結(jié)合,然后通過對求解方程的分析,得到相關(guān)參數(shù)。 因此,在設(shè)定配置點(diǎn)時(shí),要提前分析預(yù)設(shè)配置點(diǎn)與松弛時(shí)間之間的關(guān)系,最后應(yīng)用方程組對其進(jìn)行求解, 進(jìn)而得到更加準(zhǔn)確的參數(shù)。

        4 瀝青混合料的黏彈性應(yīng)用現(xiàn)狀

        當(dāng)前,人們雖然已發(fā)展了大量能夠描述瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為的模型,但是這些模型本身存在一定的局限性,其只能在一定程度上表征瀝青混合料的靜態(tài)或是動(dòng)態(tài)黏彈性能,并不能在原有基礎(chǔ)上同時(shí)描述瀝青混合料的靜、動(dòng)態(tài)黏彈性能。因此,需要尋找一個(gè)可以對黏彈性力學(xué)行為完整描述的模型,從而加強(qiáng)對瀝青混合料性能的研究力度。

        由于瀝青混合料在車載作用下所出現(xiàn)的應(yīng)變比較小, 要想對瀝青混合料力學(xué)行為進(jìn)行分析,需要從線黏彈性理論出發(fā), 深入研究瀝青混合料的性能。 同時(shí),研究人員還要從此材料的力學(xué)行為著手,不斷改善瀝青混合料的黏彈性能。此外,加強(qiáng)對瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為表征的研究,還能夠減少路面病害的發(fā)生。 但是,目前對黏彈性理論的路用性能研究內(nèi)容較少,還有待完善[5]。

        5 結(jié)語

        瀝青混合料在道路工程中的應(yīng)用受到不同溫度和應(yīng)力水平等多種因素的影響。結(jié)合單軸壓縮的蠕變試驗(yàn),對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析,計(jì)算模型參數(shù),然后在此基礎(chǔ)上預(yù)測瀝青混合料在不同溫度和應(yīng)力水平下的蠕變曲線,強(qiáng)化瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為的表征,改善瀝青混合料的性能。

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