沥青混合料力学特性和研究方法

2022-12-08

1 问题提出

沥青混合料是一种典型的粘弹性材料, 其物理力学性能与温度和荷载作用时间密切相关。在低温小变形范围内接近线弹性体, 在高温大变形活动范围内则表现为粘塑性体。Monismith在1966年的研究表明, 沥青路面材料只有在0.1%或更低的应变的情况下表现出线性, 这就意味着路面在实际工作状态下表现出非线性。但是这种非线性的特征、影响以及如何去描述这种非线性的特性在国际上仍然没有达成共识, 没有形成统一的标准, 因此广大科研工作者正在积极地研究沥青混合料的非线性粘弹性特性。然而在SUPERPAVE结果中, 沥青混合料材料被认为是线粘弹性的, 并且为温度裂缝分析原理提供理论支持。但是, 在材料屈服或断裂前, 线粘弹性的应变范围相对于材料在整个可用应变范围是很小的。所以在材料邻近断裂前认为沥青混凝土是线粘弹性的特性是完全不正确的。

非线性粘弹性力学与线性粘弹性力学有许多共同的特点, 这两种理论之间最基本的共同观点是记忆假说。用应力和应变之间的关系表示, 这不过意味着应力的现时值不仅由应变的现时值确定, 而且还由应变的整个以往历史来确定。促使我们去发展和考查粘弹性力学的一般非线性理论的原因在于, 粘弹性材料的实际应用中, 往往要在不遵守线性理论无限小变形假设的情况下使用这些材料。对于某些材料, 超过一定变形范围, 线性叠加性不再保持有效, 这种变形范围是十分有限的, 因而显然需要更普遍的理论。

综上所述, 为了能更好地描述沥青混合料的应力、应变变化的规律, 对于沥青混合料非线性粘弹性特性的探讨显得非常有必要。研究沥青和沥青混合料的粘弹性特性对现代公路交通发展作用有很大的影响。通过开展对沥青和沥青混合料非线性粘弹性特性实验研究, 对以后如何提高沥青混凝土路面质量、改善沥青混凝土路面的使用品质、延长路面的使用寿命及提高投资效益都具有实际工程意义。

2 沥青混合料非线性行为

沥青混合料是一种热粘弹性材料, 其力学特性受到加载温度和加载时间的显著影响。众所周知, 小变形范围内沥青混合料粘弹性行为属于线性粘弹性变形范畴, 它的核心是Boltzmann叠加原理和时间——温度等效关系。但是沥青混合料的在许多使用过程中, 粘弹性行为并不是线性的。一方面是由于物理变形量比较大, 大变形问题已经超出了线性粘弹中的小变形假设。另一方面是交通量急剧增加, 以及温度变化问题, 都会造成沥青混合料的性能的很大改变。因此, 非线性问题的研究对沥青混合料的粘弹性性能十分重要的。

对沥青混合料棱柱体进行单轴拉伸实验, 观察其应力——应变曲线可以发现, 随着应变的增加, 应力逐渐增大, 当应变在某一较小的范围时, 应力与应变基本上呈线性关系, 当应变超出这一范围时, 应力与应变偏离线性关系, 且随着应变的增大, 其偏离程度越强, 呈现非常明显的非线性。

3 非线性粘弹性研究方法

粘弹性力学的非线性粘弹性理论和线性理论具有许多共同的特点, 其中最基本的共同点是记忆假说, 在粘弹性材料的许多实际应用中, 虽然产生的应变是可以恢复的, 但粘弹性行为并不满足Boltzmann叠加原理所要求的线性条件。当线性条件被打破, 进入非线性粘弹性范围时, 就需要有更合适的理论来描述材料的非线性粘弹性。

目前, 非线性粘弹性本构理论的研究方法主要有四种: (1) 理论力学方法, 即用公理化体系建立物质的数学模型, 表述一般简单材料的非线性本构关系, 理论的方法必须和实验相结合; (2) 半经验修正理论, 根据部分实际材料的粘弹性行为, 考虑满足于基本原理和理论, 以表述材料的非线性行为, 建立非线性粘弹性本构关系表达式。实际上, 这是经验和理论方法的结合; (3) 经验的方法, 根据某一材料在使用时, 特别是在试验中测得的某些描述非线性粘弹性行为的数据, 直接表示应力应变和时间的关系式, 如早期的一些幂律关系以及采用线性本构形式推广的某些本构关系。这种本构关系有时对特定情况比较使用, 能解决某些具体问题, 然而由于实验与经验的影响, 往往有其局限性, 也不涉及材料的非线性物理本质; (4) 分子理论与细观方法, 采用分子理论或金属晶格结构与变形机理, 通过细观分析与宏观行为的联系讨论非线性粘弹性行为, 表述材料的本构关系。

根据多种方法和途径建立的非线性粘弹性本构关系, 有许多不同的表达式, 如多重积分型、单积分型、微分型、微分-积分型和幂律型等等。

摘要：沥青混合料是高等级道路路面的主要建筑材料, 多年来的研究表明其是一种复杂的热流变材料。其变形与受力状态、温度及加载速率等多种因素有关。其具有明显的各向异性、不均质、甚至不连续性, 因此它具有复杂的非线性性质。沥青混合料在受载情况下常常表现出明显的非线性粘弹性性质, 过去对于其进行力学分析的研究往往局限于线粘弹性, 使其优良的力学性能得不到充分的发挥。粘弹性理论是在力学和材料之间发展起来的边缘科学, 是连续介质力学的一个重要组成部分。目前, 国内外学者在粘弹性理论研究领域取得了许多重要的研究进展, 线粘弹性理论己发展得较为完善, 非线性粘弹性理论由于实验和数学上存在的困难尚处于不断的发展和完善之中。

关键词：沥青混合料,非线性粘弹性性质