关键词：
大孔隙树脂混合料
集料形态特征
骨架结构
力学行为
离散元方法
摘要：
车辙目前仍是路面常见的病害之一。传统沥青混合料路面的高温稳定性较差,在路面温度较高且车流量较大的时候,车辙最容易产生和发展,特别是在桥头搭板处,交叉路口以及上下坡处等地方。车辙不仅会影响行车舒适度和交通安全性,还会形成坑槽导致路面积水,从而导致沥青路面整体水损坏。和沥青相比,环氧树脂强度较高,高温稳定性较好。使用环氧树脂作为结合料的大孔隙树脂混合料能够形成稳定的骨架结构,具有良好的抗车辙能力。同时,大孔隙树脂混合料内部充斥着大量的孔隙,又可以提供良好的排水性能和降噪性能。因此,大孔隙树脂混合料在未来的城市化进程及道路建设中具有广阔的利用前景。
大孔隙树脂混合料是由集料、环氧树脂砂浆和孔隙组成的多相复合材料,其力学特性与演化行为不仅与级配特征、集料和环氧树脂结合料的宏观性质相关,也在较大程度上取决于各相材料的细观形态特征与空间分布等细观因素,宏观上能观察到的破坏现象往往是其细观结构损伤演化的结果。然而,传统试验手段难以捕捉到大孔隙树脂混合料细观结构的细微变化,也难以揭示细观结构对大孔隙树脂混合料力学特性与演化行为的影响机制。因此,本文基于集料形态信息数据库,重构了集料骨架结构模型和大孔隙树脂混合料数字试件,通过宏观力学响应及细观结构分析,对大孔隙树脂混合料的力学特性及演化行为进行了系统性的研究。
首先,基于激光扫描成像技术及数字图像处理技术,统计分析了四种集料的二维形态特征,并建立起包含集料颗粒形态特征的集料形态信息数据库,通过Auto CAD软件和PFC2D软件实现了集料颗粒的数值化重构,为后续从细观尺度开展相关研究提供了基础。
其次,通过室内试验和数值仿真试验研究了骨架结构的力学特性及孔隙分布,同时在PFC2D软件中进行了最优主骨架的可视化设计,分析了不同级配骨架结构之间承载能力的差异,进而确定影响骨架结构性能的主要因素。
然后,对大孔隙树脂混合料配合比和环氧树脂用量进行设计,并基于逆向体视学原理,将三维质量级配转换为二维面积级配,在PFC2D软件中生成由集料、环氧树脂砂浆和孔隙三相组成的大孔隙树脂混合料数字试件。
接着,基于大孔隙树脂混合料动态模量室内试验结果,分析温度和加载频率对大孔隙树脂混合料动态模量和相位角的影响。基于时温等效原理,利用Sigmoidal模型和WLF公式拟合得到不同温度下的大孔隙树脂混合料动态模量预估模型,并借助PFC2D软件从细观尺度研究了大孔隙树脂混合料的粘弹性力学特性与演化行为。
最后,通过室内试验和数值仿真试验研究了大孔隙树脂混合料的抗弯特性、抗拉特性和抗剪特性,并通过应力场和温度场耦合分析,探讨了大孔隙树脂混合料在荷载和温度共同作用下的力学特性及演化行为。
根据上述试验结果,本文主要得出以下结论:粒径大于4.75mm的集料是构成骨架结构主骨架的主要成分,它们之间的嵌挤作用可以显著提升骨架结构的承载能力。粒径范围在4.75mm～2.36mm之间的集料是构成骨架结构主骨架的次要成分,它们可以填充主骨架的孔隙,约束粗集料的位移,从而使骨架结构更为稳定,即使骨架结构被破坏也仍能保持一定的承载能力。粒径小于2.36mm的集料虽然也可以填充主骨架的孔隙,但是一旦掺量过多,反而会将粗集料挤开,干涉它们之间的嵌挤作用,进而降低骨架结构的承载能力。通过对离散元仿真试验进行细观断裂力学特性与演化行为分析,发现集料主要负责承担和传递压应力,环氧树脂砂浆主要负责承担和传递拉应力。集料与环氧树脂砂浆的界面最容易发生接触失效,从而导致微裂缝沿着集料与环氧树脂砂浆的界面进行开展。在低温下,大孔隙树脂混合料内部起主要作用的是集料,在高温下起主要作用的是环氧树脂砂浆。当处在低温低频或高温高频状态下时,大孔隙树脂混合料内部更容易产生微裂缝。
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