聚合物改性沥青流变建模及其流变性能的预测

发布时间：2020-05-29 18:17

【摘要】：沥青是一种典型的粘弹性材料,兼具流体的粘滞性和固体的弹性,其在不同条件下的粘弹性质与沥青路面的性能密切相关。流变模型是沟通试验-理论-应用之间的媒介,它以明确的数学表达式反映出材料在外界因素作用下的力学响应及材料本身的内在特性,且流变模型可以和日益先进的计算机辅助技术结合,从细观结构层面分析沥青材料的粘弹性质,对于更深入的理解沥青材料的粘弹性具有重要的意义。本文以聚合物改性沥青为研究对象,利用流变特性测试与模型分析仪分别建立了SBS改性沥青和胶粉改性沥青的流变模型,研究了改性剂(SBS、胶粉)掺量和温度对改性沥青流变模型及其粘弹性(瞬时弹性、推迟弹性和粘性)的影响,讨论了SBS改性沥青微观结构与流变模型的关系,并基于所建立的流变模型对聚合物改性沥青的流变性能进行了预测验证;最后还采用X-ray CT技术无损扫描SBS改性沥青混合料试件,通过图像处理技术建立了包括沥青胶砂、集料和空隙在内的三维数值试样,然后基于SBS改性沥青胶砂的流变模型和ANSYS平台对三维数值试样进行了劈裂试验的模拟计算,并与实际结果进行了对比验证,讨论了沥青混合料内部力学响应的分布和变化。主要结论如下:(1)采用流变特性测试与模型分析仪建立了SBS改性沥青的流变模型。结果表明,在20℃时,当SBS掺量为3~5%和7~9%时,改性沥青的流变模型分别为Burgers模型和五元件模型(即H-(H|N)-(H|N)),60℃时,当SBS掺量分别为3%、5~7%和9%时,改性沥青的流变模型分别为Maxwell模型、Burgers模型和五元件模型。(2)依据建立的SBS改性沥青流变模型及获得的模型参数分析表明,改性沥青的瞬时弹性变形和推迟弹性变形随SBS掺量及温度的增加而逐渐提高,20℃时,SBS掺量从0%增加到5%,改性沥青的瞬时弹性变形增大了0.773倍,推迟弹性变形提高了0.87倍。改性沥青的粘性变形随着SBS掺量的增加逐渐下降,随温度升高而逐渐提高,从20℃升至60℃,5%SBS掺量的改性沥青粘性变形增加了13.86倍,温度升至40℃时,粘性变形增加尤其明显。(3)SBS改性沥青的流变模型与其微观结构密切相关。当SBS掺量较少时(3%),改性沥青为“海岛”结构,在20℃时的流变模型为Burgers模型,60℃时转变为Maxwell模型,随着SBS掺量增多(5%和7%),改性沥青微观结构逐渐转变为互穿网络结构,20℃时其流变模型分别为Burgers模型和五元件模型,在60℃时均为Burgers模型;SBS掺量为9%时,改性沥青的微观结构转变为SBS为连续相的网络结构,在20℃和60℃时其流变模型均为五元件模型。(4)采用流变特性测试与模型分析仪建立了胶粉改性沥青的流变模型。结果表明,在20℃和60℃,当掺量为10~25%时,胶粉改性沥青流变模型均为Burgers模型。对于15%、20%掺量的胶粉改性沥青,温度在20~80℃和100℃时,改性沥青的流变模型分别为Burgers模型和Maxwell模型。(5)依据建立的胶粉改性沥青流变模型及获得的模型参数分析表明,改性沥青的瞬时弹性变形随着胶粉掺量和温度的升高逐渐提高,且变化趋势与胶粉掺量成线性关系。改性沥青的粘性变形随着胶粉掺量的增加逐渐下降,当胶粉掺量在10%~20%时下降尤为明显,温度升高使改性沥青的粘性变形逐渐增加,当温度从20℃升至60℃时,改性沥青粘性变形增加最为明显,温度继续提高到100℃后,粘性下降速度减缓。(6)基于SBS改性沥青和胶粉改性沥青的流变模型和参数,利用有限元软件ANSYS可以预测改性沥青在间歇荷载下的重复蠕变曲线,结果表明,蠕变预测曲线与试验曲线接近,且能准确模拟出改性沥青的残余应变和推迟弹性,表明通过改性沥青的流变模型和参数可以对其流变性能进行较准确的预测。(7)通过X-ray CT扫描SBS改性沥青混合料,采用图像处理技术获得表征混合料细观分布的三维数值试样,然后以SBS改性沥青胶砂的流变模型表征其粘弹特性,并基于ANSYS平台预测SBS改性沥青混合料在不同加载速率下的劈裂强度,结果表明,不同加载速率下的预测劈裂强度和实际劈裂强度存在误差,且预测结果和试验结果的误差与加载速率呈线性关系,根据这种线性关系对模拟结果进行修正后,修正后的误差最大仅为0.71%。
【图文】：

原理图,特性测试,模型分析,原理图

图 1-1 材料流变特性测试与模型分析仪原理性测试与模拟预测分析仪的工作原理为：将，并在其中央垂直埋设一薄片，然后在薄片模具中的材料产生一个均匀恒定的剪应力，，实时采集薄片受力后瞬时位移、拔出位移化，并自动转换为试验全过程的应变-时间线的特征，该仪器配套的流变模型辨识与预析库中具有类似特征的流变模型，通过数据和参数，并绘制仿真流变曲线，如图 1-4 所料的流变特性相异，因此材料流变模型分析变模型是由不同数量的基本元件通过串联或同流变性能的材料。另外，为了保证拟合的会根据流变库中不同模型的仿真曲线与试验反映该材料流变特性的流变模型，从而准确

加载曲线,加载曲线,应力,流变模型

-1 材料流变特性测试与模型分析仪原试与模拟预测分析仪的工作原理为：在其中央垂直埋设一薄片，然后在薄中的材料产生一个均匀恒定的剪应力实时采集薄片受力后瞬时位移、拔出位，并自动转换为试验全过程的应变-时特征，该仪器配套的流变模型辨识与中具有类似特征的流变模型，通过数参数，并绘制仿真流变曲线，如图 1-流变特性相异，因此材料流变模型分模型是由不同数量的基本元件通过串变性能的材料。另外，为了保证拟合据流变库中不同模型的仿真曲线与试该材料流变特性的流变模型，从而准
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE626.86

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