硫改性沥青混合料疲劳失效机理试验研究

发布时间：2017-06-14 22:01

  本文关键词：硫改性沥青混合料疲劳失效机理试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：沥青路面具有行车舒适、施工期短、开放交通时间快等优点,被广泛应用于高等级公路路面中,然而普通沥青混合料本身的高温稳定性和抗疲劳性能较差,致使沥青路面过早出现车辙和疲劳裂缝等病害。疲劳破坏是沥青路面的主要破坏形式,也是沥青路面结构基础理论与设计的本源性问题。路面行车荷载的增大、环境因素的变化以及沥青混合料细观结构的变异性导致了沥青路面疲劳破坏异常显著。因此,改善沥青路面的疲劳性能,延长路面使用寿命,已经成为路面研究的一项重大课题。人类利用加入添加剂来对沥青改性已有很久的历史。19世纪中期就有人采用硫化的方法改善沥青路面性能,硫磺改性剂赛欧铺能提高含蜡沥青的质量,能显著提高沥青混合料的高温稳定性,自上世纪70年代起,一些石油工业发达国家开始进行硫磺改性沥青混合料的试验研究,但是到上世纪90年代,随着硫磺价格低迷,沥青价格逐渐攀升,硫磺作为沥青添加剂逐步成为国外沥青混合料研究的热点之一。但从目前收集到的文献看,国内关于硫改性沥青混合料方面的文献非常少,而且大部分还停留在室内试验及小规模的试验路研究,对硫改性沥青混合料的路用性能研究不够全面和深入,云南省只在红河州的个屯一级公路及蒙新高速公路中铺筑了15.717 km、2 km的硫磺改性沥青混合料路面。另一方面,硫磺改性剂材料替代了一部分的沥青,减少沥青用量后,沥青混合料疲劳性能是否受到影响是本文的主要内容。首先,本文对基于AC-13级配的普通沥青混合料及不同掺量的硫改性沥青混合料进行了路用性能试验(高温稳定性、低温抗裂性、疲劳性能)。同时,不同于现阶段在沥青混合料研究中普遍采用小梁试件进行疲劳破坏研究,本文采用自制劈裂加载试验夹具对沥青混合料进行劈裂疲劳试验,采用数字图像相关方法(DIC)、Matlab及混凝土开裂理论,对沥青混合料的疲劳损伤进行研究分析,实时观察并测量了疲劳加载过程中沥青混合料的位移场和应变场。通过DIC方法将图像信息转化成了能够表征材料力学性能的变形信息,分析了沥青混合料的疲劳破坏过程。研究结果表明：(1)硫改性沥青混合料的抗车辙能力、低温抗裂性能及抗疲劳能力较普通沥青混合料提升显著。(2)随着改性剂掺量的增加,沥青混合料的路用性能及劈裂疲劳性能逐渐提高,在总胶结料中赛欧铺质量百分比为30%-40%的条件下,各项性能较普通沥青混合料提高3倍以上。在总胶结料中赛欧铺的质量百分比为35%时,可以明显提高沥青混合料性能,但在40%时与30%硫改性沥青混合料性能相近,因此硫改性沥青混合料总胶结料中硫磺改性剂的最佳质量百分比为35%。(3)结合数字图像相关技术和Matlab编程计算沥青混合料位移场及应变场,分析沥青混合料的损伤演化规律：在损伤初始阶段,试件损伤程度较小且分布不均匀；随着重复荷载的作用,损伤逐渐增大并趋于集中,从而导致裂缝的形成,裂纹继续扩展导致试件的失效破坏。(4)通过疲劳试验过程中试件的变形情况以及数字图像处理技术对加载过程中试件中心区域的位移场和应变场进行分析计算,解释了沥青混合料的疲劳开裂过程。本文经过对硫改性沥青混合料性能研究表明硫改性沥青混合料路用性能优越,可应用在路面提高路面使用寿命,并运用数字图像相关方法及Matlab软件分析沥青混合料的变形及开裂情况,为今后数字图像相关方法对沥青混合料的性能分析提供试验参考依据。
【关键词】：硫磺 改性沥青混合料 路用性能 劈裂疲劳 数字图像 疲劳开裂
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U414
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 研究背景和意义14-18
• 1.1.1 沥青路面的发展14-16
• 1.1.2 改性沥青的研究16-17
• 1.1.3 数字图像相关方法17-18
• 1.2 国内外研究现状18-23
• 1.2.1 硫改性沥青混合料改性技术的发展18-19
• 1.2.2 国内外沥青混合料疲劳性能试验19-21
• 1.2.3 数字图像相关技术的运用21-23
• 1.3 本文主要研究内容23-26
• 第二章 试验材料、试验方法及技术研究路线26-40
• 2.1 试验原材料26-30
• 2.1.1 基质沥青技术指标26
• 2.1.2 集料技术指标26-28
• 2.1.3 矿粉技术指标28-29
• 2.1.4 硫磺改性剂赛欧铺技术指标29-30
• 2.2 试验方法30-37
• 2.2.1 沥青混合料试件的制备30-33
• 2.2.2 沥青混合料试验方法33-37
• 2.3 试验技术路线37-38
• 2.4 本章小结38-40
• 第三章 沥青混合料路用性能试验研究40-56
• 3.1 沥青混合料配合比及油石比的选用说明40-41
• 3.1.1 设计说明40-41
• 3.1.2 沥青混合料配合比设计说明41
• 3.2 沥青混合料路用性能试验41-53
• 3.2.1 高温稳定性试验41-45
• 3.2.2 低温抗裂性试验45-49
• 3.2.3 疲劳性能试验49-53
• 3.3 本章小结53-56
• 第四章 沥青混合料劈裂疲劳性能试验研究56-72
• 4.1 疲劳试验方法56
• 4.2 疲劳试验夹具设计56-58
• 4.3 疲劳试验试件的制备58-59
• 4.3.1 级配的改进58
• 4.3.2 试件的成型及切割58-59
• 4.4 疲劳试验参数设计59-61
• 4.4.1 加载模式的选择59-60
• 4.4.2 试验温度的选择60-61
• 4.4.3 加载频率及波形的选择61
• 4.4.4 力值比的选择61
• 4.5 疲劳试验方案设计61-63
• 4.5.1 疲劳试验循环荷载范围的确定61-62
• 4.5.2 劈裂疲劳试验方案的确定62-63
• 4.6 沥青混合料的疲劳试验63-70
• 4.6.1 劈裂疲劳试验循环荷载的确定63-65
• 4.6.2 劈裂疲劳试验65-70
• 4.7 本章小结70-72
• 第五章 沥青混合料疲劳裂纹的形成及扩展机制研究72-98
• 5.1 数字图像相关方法介绍72-75
• 5.1.1 二维数字图像相关方法测量系统72
• 5.1.2 二维数字图像相关方法基本原理72-74
• 5.1.3 数字图像分析方法的优点74-75
• 5.2 数字图像对沥青混合料劈裂疲劳试验分析75-82
• 5.2.1 劈裂疲劳试验布置75-76
• 5.2.2 劈裂疲劳试验图像采集系统76
• 5.2.3 劈裂疲劳试验结果分析76-82
• 5.3 沥青混合料疲劳裂纹扩展路径分析82-95
• 5.3.1 沥青混合料疲劳试验变形特征研究82-87
• 5.3.2 沥青混合料疲劳断裂分析87-94
• 5.3.3 沥青混合料疲劳开裂过程94-95
• 5.4 本章小结95-98
• 第六章 结论和展望98-102
• 6.1 主要结论98-99
• 6.2 工作展望99-102
• 致谢102-104
• 参考文献104-112
• 附录 (攻读硕士学位期间撰写的学术论文及获奖情况)112

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