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    购买重庆时时彩: 基于力学的半柔性沥青混合料设计方法.pdf

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    基于 力学 柔性 沥青 混合 设计 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201510083410.1

    申请日:

    2015.02.13

    公开号:

    CN104678084A

    公开日:

    2015.06.03

    当前法律状态:

    驳回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):G01N 33/42申请公布日:20150603|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 33/42申请日:20150213|||公开
    IPC分类号: G01N33/42 主分类号: G01N33/42
    申请人: 华南理工大学
    发明人: 王端宜; 蔡旭; 虞将苗; 陈页开; 黎侃
    地址: 510640广东省广州市天河区五山路381号
    优先权:
    专利代理机构: 广州粤高专利商标代理有限公司44102 代理人: 何淑珍
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510083410.1

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.10.31|||2015.07.01|||2015.06.03

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的驳回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了基于力学的半柔性沥青混合料设计方法。该方法包括如下步骤:取板式基体沥青混合料试件,备用;制作彩色水泥浆液,并将彩色水泥灌注于基体沥青混合料试件中,置于湿度90%以上环境养生7d;将养生后的试件切割,采集数字图像,得到集料、水泥浆液、空隙和沥青的具体位置;将数字图像所得结果使用有限元分析方法,进行多尺度力学分析,得到半柔性路面材料用水泥浆体变形需要满足的材料设计力学指标。本方法可用于各等级公路和城市道路新路面建设,也可在各等级公路和城市道路的路面大修改建工程中应用;可以用于新拌制的沥青混合料,也可以用于再生沥青混合料半柔性路面。具有显著的技术、经济、社会和环境效益。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  基于力学的半柔性沥青混合料设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
    (1)取板式基体沥青混合料试件,备用;所述板式基体沥青混合料试件由沥青、集料和空隙组成;
    (2)制作彩色水泥浆液,并将彩色水泥灌注于板式基体沥青混合料试件的空隙中,置于湿度90%以上环境养生7d;
    (3)将养生后的试件切割,采集数字图像,得到集料、水泥浆液、空隙和沥青的具体位置;
    (4)将数字图像所得结果使用有限元分析方法,进行多尺度力学分析,得到半柔性路面材料用水泥浆体变形需要满足的材料设计力学指标。

    2.  根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述板式基体沥青混合料试件的大小规格为30×30×5cm。

    3.  根据权利要求1所述的方法,其特征在于,半柔性路面材料用水泥浆体变形指标如下表所示:
    。

    说明书

    说明书基于力学的半柔性沥青混合料设计方法
    技术领域
    本发明属于道路材料设计技术领域,具体涉及基于力学的半柔性沥青混合 料设计方法。
    背景技术
    沥青路面由于其行驶舒适性和噪音低等优点已成为公路和城市道路的主 要路面形式。据统计,我国公路和城市道路将近80%以上的路面都是由沥青材 料修筑。然而,在重载、超载、大交通量、夏季高温,以及特殊荷载状况(城 市道路交叉口和公共汽车??空?等因素的综合作用下,很多新建的沥青混凝 土路面在通车不久后就出现车辙等破坏,特别是修筑于山岭地区的沥青路面, 往往在通车2~3年后就发生严重的车辙破坏,缩短了大修的周期,造成了严重 的资源浪费。为此,道路行业一方面大量采用改性沥青,但造价大幅度提高, 车辙问题不能有效根治;另一方面,尝试国外的半柔性路面技术。采用半柔性 路面技术,虽然车辙问题得到了有效遏制,但由于以往半柔性沥青混合料都是 根据经验来设计,无法全面考虑施工条件、车轮荷载、使用环境和材料特性对 混合料的影响,水泥基浆液材料固化过程中发生的收缩和膨胀、施工过程中的 振动以及使用过程中的季节变化,都会对大空隙基体沥青混合料产生破坏作 用,使得半柔性沥青混合料路面经?;岢鱿盅现氐牧逊煳侍?。本发明提出的基 于力学的半柔性沥青混合料设计方法,通过多尺度有限元方法,分析半柔性沥 青混合料各构成材料体积变化对材料宏观性能的影响,并提出混合料各构成材 料的设计指标,以保证半柔性路面不会出现裂缝等病害,从而延长路面以及路 面结构的使用寿命。本方法可用于各等级公路和城市道路新路面建设,也可在 各等级公路和城市道路的路面大修改建工程中应用;可以用于新拌制的沥青混 合料,也可以用于再生沥青混合料半柔性路面。具有显著的技术、经济、社会 和环境效益。
    发明内容
    本发明克服现有技术的缺陷,提供基于力学的半柔性沥青混合料设计方 法。
    本发明技术方案如下。
    基于有限元的半柔性沥青混合料多尺度力学分析方法,包括如下步骤:
    (1)取板式基体沥青混合料试件,备用;所述板式基体沥青混合料试件 由沥青、集料和空隙组成;
    (2)制作彩色水泥浆液,并将彩色水泥灌注于板式基体沥青混合料试件 的空隙中,置于湿度90%以上环境养生7d;
    (3)将养生后的试件切割,采集数字图像,得到集料、水泥浆液、空隙 和沥青的具体位置;
    (4)将数字图像所得结果使用有限元分析方法,进行多尺度力学分析, 得到半柔性路面材料用水泥浆体变形需要满足的材料设计力学指标。
    上述方法中,所述板式基体沥青混合料试件的大小规格为30×30×5cm。
    上述方法中,半柔性路面材料用水泥浆体变形指标推荐值如下表所示:


    。
    半柔性沥青混合料路面的开裂机理
    半柔性沥青混合料作为一种刚柔共存的复合型路面材料,其内部应力的产 生主要源于各组成成分不同的变形特征。当内部应力达到某一水平时,路面开 始在薄弱部位开裂。一般而言,基体沥青混合料具有较良好的变形性能,在相 当长的时间内能够吸收并松弛内部应力。而水泥浆液具有较大的刚度以及较差 的体积稳定性,其抗拉性能较差。在水泥浆液在水化硬化过程中或温度剧烈变 化的条件下,若基体沥青混合料和水泥浆液的体积的变化无法协调,且变化超 过一定的量级时,半柔性材料内部将出现由于应力集中而产生的裂缝,即形成 了薄弱部位。由此可见,半柔性路面材料的内部应力分析是设计水泥浆液材料 的基本前提。
    从力学角度讲,水泥浆液的变形主要包括水化过程中由水分散失而引起的 收缩变形,以及硬化后由于温度变化引起的胀缩变形,而基体沥青混合料的体 积变化对温度湿度敏感性相对较低,两种材料的变形不协调,使得混合料内部 产生收缩应力和膨胀应力,当应力发生集中且超出基体沥青混合料或水泥浆液 的极限抗拉强度后,裂缝开始产生,降低了半柔性路面的耐久性。因此,在设 计水泥浆液时,需要保证由于其变形导致的材料内部应力小于各材料的极限强 度。
    与现有技术相比,本发明具有如下优势:
    1.本发明方法可以根据实际的材料体积构成特征(沥青、集料和水泥浆 体),分析最大可能变形状态下,半柔性复合材料内部的力学反应(应力、应 变等);
    2.本发明提出水泥浆体材料设计应遵循的力学指标要求,避免半柔性复 合材料出现裂缝,从而延长半柔性材料所铺筑路面的使用寿命,降低路面的寿 命周期成本。
    附图说明
    图1a-图1c为半柔性路面材料截面信息提取示意图,其中图1a为15%空 隙率的集料分布情况图,图1b为15%空隙率的水泥浆液分布情况图,图1c 为15%空隙率的各材料分布情况图。
    图2a-图2d为半柔性路面材料有限元模型图,其中图2a基体沥青混合料 15%空隙率的有限元模型图,图2b为基体沥青混合料20%空隙率的有限元 模型图,图2c为基体沥青混合料25%空隙率的有限元模型图,图2d为基体 沥青混合料30%空隙率的有限元模型图。
    图3a-图3d为基体沥青混合料应力云图,其中图3a为20%空隙率,膨胀 0.2%的有限元分析结果图;图3b为20%空隙率,膨胀0.4%的有限元分析 结果图;图3c为20%空隙率,收缩0.2%的有限元分析结果图;图3d为2 0%空隙率,收缩0.4%的有限元分析结果图。
    图4为基体沥青混合料内部应力与水泥浆液收缩变形相关图。
    图5为基体沥青混合料空隙率与应力水平相关关系图(收缩)。
    图6为基体沥青混合料内部应力与水泥浆液膨胀变形相关图。
    图7为基体沥青混合料空隙率与应力水平相关关系图(膨胀)。
    图8基体沥青混合料应力与变形量相关关系图。
    具体实施例
    下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述,但本发明的实施 方式不限于此,对于未特别注明的工艺参数,可参照常规技术进行。
    一、柔性材料抗裂极限应力分析
    1、建立有限元计算模型
    为使建立的有限元模型能够更加贴近实际情况,本发明制做了与实际半柔 性材料相同的模型试件,通过以下手段实现:
    (1)制作空隙率为15%、20%、25%和30%的基体沥青混合料试件, 试件尺寸为30cm×40cm×8cm;
    (2)制作彩色水泥浆液,所用配比为苏丹红:矿粉:水泥:水=1:1:2: 4,灌注彩色水泥浆液,并采用振动台辅助灌浆。灌浆后将试件置于湿度90% 以上环境养生7d;
    (3)采用高精度双面锯对试件进行切割,使用CCD数码相机采集实际半 柔性路面材料的截面图像,由截面颜色的不同可以区分出水泥浆液、集料、闭 口空隙以及沥青的分布情况;
    (4)采用AutoCAD软件提取截面图像信息,分别表示出集料、水泥浆液、 孔隙和沥青的具体位置,如图1a-图1c所示;
    (5)将CAD图像导入有限元分析软件中,输入各材料的参数,并定义接 触类型。边界条件为:上边界无约束、下边界固接(U1=U2=UR1=UR2=0)、 左右边界水平约束(U1=UR1=UR2=0),网格划分采用三角形单元(Tri)控制, 模型约有30万个微单元,网格划分结果如图2a-图2d所示。
    图2a-图2d中,灰白色部位表示水泥浆液,黑色部位表示沥青胶浆,其余 部位表示集料。通过改变水泥浆液的膨胀、收缩量,计算沥青以及水泥浆液的 应力分布情况。由于模型较为庞大,计算需要花费大量的时间,因此每一空隙 率的半柔性材料均取5个截面进行计算,取均值作为计算结果。
    2、计算结果与数据分析
    有限元分析结果如图3a-图3d所示??梢苑⑾?,基体沥青混合料的总体应 力水平较低,但在某些局部位置会出现应力集中现象。
    (1)应力峰值分析
    有限元分析结果表明,水泥浆液的膨胀和收缩变形均会对基体沥青混合料 产生拉应力,如图4至图7所示。首先,由于收缩变形产生的应力水平显著高 于膨胀变形产生的应力。以20%空隙率的基体沥青混合料为例,当水泥浆液 收缩0.2%时,基体沥青混合料的内应力为0.43MPa,而水泥浆液膨胀0.2% 时,基体沥青混合料的内应力仅为0.17MPa,其应力水平仅为前者的40%。 其次,收缩变形过程中基体沥青混合料内应力的增长速率大于膨胀变形。因此, 水泥浆液的收缩变形是造成半柔性路面材料内应力的主要因素。
    图4为在收缩条件下水泥浆体膨胀变形量与基体混合料内应力的关系图。 由图中可知,随着水泥浆液收缩量的增加,基体混合料内部应力不断增长。
    首先,基体沥青混合料的空隙率影响了与应力水平增长速率,相同变形条件 下,基体混合料的空隙率越小,应力增长越大。如15%空隙率的基体沥青混合 料,其应力增长速度约为1.7MPa,而30%空隙率的基体沥青混合料,相应的 应力增长速度为1.3MPa。因此,基体沥青混合料的空隙率越低,对水泥浆液 收缩造成的应力越敏感,如图5所示。从这个角度出发,适当的增加基体沥青 混合料的空隙率,可以在一定程度上可以降低由于水泥浆体收缩导致的材料开 裂。
    其次,在收缩应变量超过0.2%时,基体沥青混合料的应力值与变形量呈 现线形相关关系增长。但在收缩应变量小于0.2%时,基体沥青混合料的应力 为一种非线性增长的模式,随着应变量的增加,应力增长的速率逐渐降低。表 明在变形较小的情况下,材料对应力的变化更加敏感。
    图6为水泥浆液在膨胀变形的情况下,基体沥青混合料内部应力与水泥浆 液变形量的相关关系图。由图6可知,在膨胀变形的情况下,基体沥青混合料 的内应力与水泥浆液的膨胀变形量呈良好的线性相关关系。其次,与收缩变形 相反,基体沥青混合料的空隙率越大,由于膨胀变形带来的内部应力水平越高。
    图7为膨胀变形情况下基体沥青混合料空隙率与应力水平的相关图。由图 中可知,基体沥青混合料的空隙率为15%和20%时,相同变形量下的内应力 基本一致,当基体沥青混合料空隙率超过20%后,基体混合料内应力增长较为 显著。结果表明,若以膨胀带来的内应力为控制指标,基体沥青混合料的空隙 率不宜超过20%,以控制应力的增长速度。但考虑到灌浆的需求,目前常将目 标空隙率控制在25%左右,20%的控制标准显然不具备实际意义,因此应该将 研究的重点放在水泥浆液的配比设计,控制其体积稳定性。
    (2)应力集中位置统计分析
    不论是水泥浆液发生膨胀变形或收缩变形,基体沥青混合料中的某些部位 均出现了应力集中的现象。
    基体沥青混合料的应力集中部位主要出现在集料与集料之间的接触部位 以及集料的尖锐部位,这些部位存在“矿料—沥青胶浆—矿料”或“水泥浆液 —沥青胶浆—矿料”相结合的界面形式,界面组成复杂,材料特性差异大,是 基体沥青混合料骨架结构内部的薄弱部位。因此,在水泥浆液膨胀或收缩变形 的情况下,开裂破坏可能最先发生在这些部位。当然,应力集中部位的数量也 与破坏产生的数量以及严重程度相关。根据间接拉伸试验的结果,基体沥青混 合料的极限抗拉强度约为0.32MPa。根据这一判断标准,可以统计出模型中 应力集中部位的数量,也就是每个“矿料—沥青胶浆—矿料”界面拉应力超过 极限抗拉强度点的数量,统计结果如表1所示。
    表1 基体沥青混合料内部应力集中部位数量统计(处)

    由表1可知,水泥浆液发生收缩变形时,基体沥青混合料的空隙率越大, 材料内部拉应力集中部位的数量越多;收缩变形越大,超过基体沥青混合料极 限抗拉强度的应力集中的部位越多,材料发生开裂的可能性越高。其次,当基 体沥青混合料的空隙率超过20%,材料内部应力集中部位的数量增加显著。
    在水泥浆液发生膨胀变形情况下,基体沥青混合料内部应力集中部位数量 的变化趋势与收缩变形一致。当膨胀变形小于0.2%时,基体沥青混合料中不 存在大于0.32MPa的应力集中处;当变形量大于等于0.4%时,应力集中部位 的数量剧增。
    二、泥浆体应变限制指标分析
    从应力集中部位的数量看,当变形量大于0.4%时,水泥浆体的膨胀变形 导致的应力集中部位多于收缩变形。结合应力峰值数据推测:当水泥浆体发生 膨胀变形时,变形产生的内应力能够较均匀的分布于基体沥青混合料内部,应 力集中部位的数量较多,但应力的峰值相对小于收缩变形的情况。综上所述, 当水泥浆体发生收缩变形时,变形导致的基体沥青混合料拉应力峰值较大,但 应力集中的部位较少;而发生膨胀收缩时,应力峰值较小,但应力集中部位多。 可以认为,水泥浆体的应变限制指标的选择,首先需要保证基体沥青混合料的 应力不超过其极限值,其次是在变形超过极限值后,应力集中部位的数量不宜 过多。而实际上,常用的半柔性路面材料的基体混合料空隙率一般介于25~30% 之间,由分析结果可知,此时难以很好的降低应力集中部位的数量。因此,应 主要采用控制应力峰值的方法进行水泥浆体应变限制指标的确定。
    以基体沥青混合料极限抗拉强度0.32MPa为控制指标,可得水泥浆体变 极限变形量的控制值,如图8所示。图8中,变形量为负值表示水泥浆体发生 收缩变形,正值表示水泥浆体发生膨胀变形。其中,收缩变形时,应力应变曲 线与0.32MPa控制直线相交于-0.15~-0.10%范围内。采用内插法计算结果表 明,当基体沥青混合料空隙率为15%时,所用水泥浆体最大收缩量宜小于0. 1%;空隙率为20%时,水泥浆体最大收缩量宜小于0.13%;空隙率为25%时, 水泥浆体最大收缩量宜小于0.14%;空隙率为30%时,最大收缩量宜小于0.1 5%。
    膨胀变形时,应力应变曲线与0.32MPa控制直线相交于0.34~0.40%范围 内。同样可用内插法进行计算,结果表明:当基体沥青混合料空隙率为15% 时,所用水泥浆体最大膨胀量宜小于0.4%;空隙率为20%时,水泥浆体最大 收膨胀宜小于0.39%;空隙率为25%时,水泥浆体最大膨胀量宜小于0.38%; 空隙率为30%时,最大收膨胀宜小于0.34%。分析结果可汇总为表2。
    表2 半柔性路面材料用水泥浆体变形指标推荐值

    考虑到基体沥青混合料施工的均匀性,实际施工完成后混合料的空隙率存 在一定的波动。结合实际工程经验,当基体沥青混合料以25%为设计空隙率时, 所用水泥浆体的最大收缩变形量宜小于0.13%,最大膨胀变形量宜小于0.34%。
    本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对 本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的 基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改 进等,均应包含在本发明权利要求的?;し段е?。

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