【摘要】：瀝青是一種典型的粘彈性材料,兼具流體的粘滯性和固體的彈性,其在不同條件下的粘彈性質(zhì)與瀝青路面的性能密切相關(guān)。流變模型是溝通試驗-理論-應(yīng)用之間的媒介,它以明確的數(shù)學(xué)表達式反映出材料在外界因素作用下的力學(xué)響應(yīng)及材料本身的內(nèi)在特性,且流變模型可以和日益先進的計算機輔助技術(shù)結(jié)合,從細(xì)觀結(jié)構(gòu)層面分析瀝青材料的粘彈性質(zhì),對于更深入的理解瀝青材料的粘彈性具有重要的意義。本文以聚合物改性瀝青為研究對象,利用流變特性測試與模型分析儀分別建立了SBS改性瀝青和膠粉改性瀝青的流變模型,研究了改性劑(SBS、膠粉)摻量和溫度對改性瀝青流變模型及其粘彈性(瞬時彈性、推遲彈性和粘性)的影響,討論了SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)與流變模型的關(guān)系,并基于所建立的流變模型對聚合物改性瀝青的流變性能進行了預(yù)測驗證;最后還采用X-ray CT技術(shù)無損掃描SBS改性瀝青混合料試件,通過圖像處理技術(shù)建立了包括瀝青膠砂、集料和空隙在內(nèi)的三維數(shù)值試樣,然后基于SBS改性瀝青膠砂的流變模型和ANSYS平臺對三維數(shù)值試樣進行了劈裂試驗的模擬計算,并與實際結(jié)果進行了對比驗證,討論了瀝青混合料內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)的分布和變化。主要結(jié)論如下:(1)采用流變特性測試與模型分析儀建立了SBS改性瀝青的流變模型。結(jié)果表明,在20℃時,當(dāng)SBS摻量為3~5%和7~9%時,改性瀝青的流變模型分別為Burgers模型和五元件模型(即H-(H|N)-(H|N)),60℃時,當(dāng)SBS摻量分別為3%、5~7%和9%時,改性瀝青的流變模型分別為Maxwell模型、Burgers模型和五元件模型。(2)依據(jù)建立的SBS改性瀝青流變模型及獲得的模型參數(shù)分析表明,改性瀝青的瞬時彈性變形和推遲彈性變形隨SBS摻量及溫度的增加而逐漸提高,20℃時,SBS摻量從0%增加到5%,改性瀝青的瞬時彈性變形增大了0.773倍,推遲彈性變形提高了0.87倍。改性瀝青的粘性變形隨著SBS摻量的增加逐漸下降,隨溫度升高而逐漸提高,從20℃升至60℃,5%SBS摻量的改性瀝青粘性變形增加了13.86倍,溫度升至40℃時,粘性變形增加尤其明顯。(3)SBS改性瀝青的流變模型與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)SBS摻量較少時(3%),改性瀝青為“海島”結(jié)構(gòu),在20℃時的流變模型為Burgers模型,60℃時轉(zhuǎn)變?yōu)镸axwell模型,隨著SBS摻量增多(5%和7%),改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛ゴ┚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),20℃時其流變模型分別為Burgers模型和五元件模型,在60℃時均為Burgers模型;SBS摻量為9%時,改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镾BS為連續(xù)相的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在20℃和60℃時其流變模型均為五元件模型。(4)采用流變特性測試與模型分析儀建立了膠粉改性瀝青的流變模型。結(jié)果表明,在20℃和60℃,當(dāng)摻量為10~25%時,膠粉改性瀝青流變模型均為Burgers模型。對于15%、20%摻量的膠粉改性瀝青,溫度在20~80℃和100℃時,改性瀝青的流變模型分別為Burgers模型和Maxwell模型。(5)依據(jù)建立的膠粉改性瀝青流變模型及獲得的模型參數(shù)分析表明,改性瀝青的瞬時彈性變形隨著膠粉摻量和溫度的升高逐漸提高,且變化趨勢與膠粉摻量成線性關(guān)系。改性瀝青的粘性變形隨著膠粉摻量的增加逐漸下降,當(dāng)膠粉摻量在10%~20%時下降尤為明顯,溫度升高使改性瀝青的粘性變形逐漸增加,當(dāng)溫度從20℃升至60℃時,改性瀝青粘性變形增加最為明顯,溫度繼續(xù)提高到100℃后,粘性下降速度減緩。(6)基于SBS改性瀝青和膠粉改性瀝青的流變模型和參數(shù),利用有限元軟件ANSYS可以預(yù)測改性瀝青在間歇荷載下的重復(fù)蠕變曲線,結(jié)果表明,蠕變預(yù)測曲線與試驗曲線接近,且能準(zhǔn)確模擬出改性瀝青的殘余應(yīng)變和推遲彈性,表明通過改性瀝青的流變模型和參數(shù)可以對其流變性能進行較準(zhǔn)確的預(yù)測。(7)通過X-ray CT掃描SBS改性瀝青混合料,采用圖像處理技術(shù)獲得表征混合料細(xì)觀分布的三維數(shù)值試樣,然后以SBS改性瀝青膠砂的流變模型表征其粘彈特性,并基于ANSYS平臺預(yù)測SBS改性瀝青混合料在不同加載速率下的劈裂強度,結(jié)果表明,不同加載速率下的預(yù)測劈裂強度和實際劈裂強度存在誤差,且預(yù)測結(jié)果和試驗結(jié)果的誤差與加載速率呈線性關(guān)系,根據(jù)這種線性關(guān)系對模擬結(jié)果進行修正后,修正后的誤差最大僅為0.71%。
【圖文】：

圖 1-1 材料流變特性測試與模型分析儀原理性測試與模擬預(yù)測分析儀的工作原理為：將，并在其中央垂直埋設(shè)一薄片，然后在薄片模具中的材料產(chǎn)生一個均勻恒定的剪應(yīng)力，，實時采集薄片受力后瞬時位移、拔出位移化，并自動轉(zhuǎn)換為試驗全過程的應(yīng)變-時間線的特征，該儀器配套的流變模型辨識與預(yù)析庫中具有類似特征的流變模型，通過數(shù)據(jù)和參數(shù)，并繪制仿真流變曲線，如圖 1-4 所料的流變特性相異，因此材料流變模型分析變模型是由不同數(shù)量的基本元件通過串聯(lián)或同流變性能的材料。另外，為了保證擬合的會根據(jù)流變庫中不同模型的仿真曲線與試驗反映該材料流變特性的流變模型，從而準(zhǔn)確

-1 材料流變特性測試與模型分析儀原試與模擬預(yù)測分析儀的工作原理為：在其中央垂直埋設(shè)一薄片，然后在薄中的材料產(chǎn)生一個均勻恒定的剪應(yīng)力實時采集薄片受力后瞬時位移、拔出位，并自動轉(zhuǎn)換為試驗全過程的應(yīng)變-時特征，該儀器配套的流變模型辨識與中具有類似特征的流變模型，通過數(shù)參數(shù)，并繪制仿真流變曲線，如圖 1-流變特性相異，因此材料流變模型分模型是由不同數(shù)量的基本元件通過串變性能的材料。另外，為了保證擬合據(jù)流變庫中不同模型的仿真曲線與試該材料流變特性的流變模型，從而準(zhǔn)
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE626.86

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本文編號：2687306