基于微观力学模型的半柔性材料动态模量跨尺度预估文献综述

文献综述（或调研报告）：

摘要：半柔性路面是一种新型的路面结构形式，它是指在大空隙母体沥青混合料中，灌入以水泥为主要成分的特殊砂浆而形成的路面。半柔性路面其兼顾刚性和柔性两种路面的优点、摒弃两者缺点的路面结构，其在国外得到了广泛的应用。（灌注式半柔性路面材料研究与应用综述）动态模量指在动荷载作用下，材料内部的实时应力与应变的比值。能够反映路面在动荷载作用下的实际受力状况，是分析路面结构的应力-应变关系和为路面设计的重要参数。（沥青混合料动态模量试验研究）半柔性沥青混凝土材料是由沥青、集料、矿粉、水泥胶浆等多种不同力学性质、不同几何特征材料组成的复杂混合体系，在车辆荷载和温度作用下呈现出弹性或粘弹特性，力学行为与其组成材料及结构密切相关，力学机理非常复杂。近年来，从复合材料细观力学角度研究沥青混凝土力学特性是路面工程研究的前沿问题。（考虑界面影响的沥青混凝土粘弹性细观力学模型）借助于已有的计算技术，细观力学建模方法通常用来解决复合材料极为复杂的几何特征及非弹性力学行为。（高性能土木工程材料国家重点实验室）

关键字：半柔性；动态模量；细观力学模型

引言：本课题运用时温等效原理，根据现有的微观力学模型，通过基体沥青混合料的动态模量主曲线跨尺度预测半柔性材料的动态模量主曲线，并与实际试验测得的动态模量比较，考虑水泥的水化及与沥青混合料界面间的吸附等化学作用，初步建立考虑界面过渡区的微观力学模型。

正文：

为适应重载大交通与渠化交通的需要，近些年来基于半柔性材料的复合路面受到工程界高度重视。常用的半柔性路面材料是指在开级配的大孔隙（孔隙率20%-30%）基体沥青混合料中，灌入特殊高流动度水泥胶浆而复合形成的路面材料，因其整体刚度介于沥青混凝土和水泥混凝土之间而得名。半柔性路面材料属于密实—骨架嵌挤型复合结构。填充大孔隙沥青混合料基体空隙的特殊水泥胶浆硬化后形成的强度与大孔隙沥青混合料基体的骨架结构共同抵抗汽车荷载的作用; 硬化的水泥胶浆具有密实性，可减少水对沥青混合料的侵入损害。已有研究表明：半柔性路面材料的高温稳定性优于普通沥青混凝土，将其作为面层可有效减少车辙、推挤、拥包等因混合料高温稳定性不足引起的病害;又由于其以具有一定柔性的沥青混合料作为骨架结构，其低温抗裂性能优于普通水泥混凝土路面，而且可以不设或少设温缩缝，行车平稳舒适。同时，半柔性路面材料具有耐油、耐酸、耐热、耐水、抗滑、和易着色等特性。 半柔性复合路面适用于高等级公路和城市道路，尤其是高速公路的爬坡段、城市的货运站、港口、码头、加油站、公交车专用道、平交口等路段。但是，半柔性路面材料多用于渠化较为严重路段，不可避免会出现裂缝、沉陷等病害。

从初步调研与研究可知，半柔性路面的主要破坏形式是裂缝，微观上先产生小裂缝，经过反复荷载作用，裂缝逐渐扩展直至出现宏观上的裂缝。目前大量的研究都采用连续力学方法，这种方法不能完全说明材料的结构。且不便于用来确定导致沥青混合料裂缝的内部原因。然而，细观力学可以更详细的说明材料的细观结构，并且可以更有效地用来研究裂缝的形成机理。

为了指导半柔性沥青混凝土的设计和应用，可测出沥青和沥青混凝土的动态模量，根据时间－温度置换原理，利用非线性最小二乘法拟合得到了参考温度下的动态模量主曲线，引入线性弹簧层界面模型和界面相模型来描述集料与沥青胶浆之间的界面状态，然后采用改进的Moil．Tanaka方法，建立考虑界面影响的沥青混凝土细观力学弹性模型，最后基于弹性．粘弹性对应原理，得到考虑界面影响的沥青混凝土粘弹性性能预测模型，从沥青的动态模量预测沥青混合料的动态模量，在预测到半柔性沥青混合料的动态模量，实现跨尺度预估，并与实测数据进行对比，得出半柔性沥青混合料相关结论。

在粘弹性力学行为的早期研究中,Burgers模型由于其非常明确的物理意义而被较为广泛的应用。Monismith C.L等人最早采用Burgers模型对沥青混合料的力学行为进行定量描述，其研究证实了Burgers模型在沥青混合料力学行为研究中应用的可行性。郑建龙将Burgers模型与动态损伤函数结合用于沥青混合料的疲劳过程研究中。王文进等人采用Burgers模型分析了沥青砂浆的单轴拉伸与压缩的力学行为，其研究结果表明Burgers模型可以较好地描述沥青砂浆单轴拉伸与压缩状态下的应力应变关系。程永春等人结合最小残差原则，确定了Burgers模型的最优分段时刻并通过试验进行验证，从而使Burgers模型的应用具有更高的稳定性及更宽的适用性。

　在实际路面工程中, 沥青混合料承受复杂的三围受力状态, 其工作温度和荷载作用频率范围较宽。而温度、荷载作用频率以及受力状态三者又存在交互影响的情况。沥青混合料的动态模量试验是研究混合料试件在不同温度、不同荷载作用频率以及不同加载方式下混合料的动态响应, 可以较好的了解沥青混合料的力学性质随温度和时间的变化规律。