单轴压力下沥青混合料静动态蠕变模型分析

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1、第一章前言弟一早刖函据历史记载，远在公元前3800年到2500年间，人类就开始使用沥青，并先后在埃及的尼罗河、美索不达米亚的底格里斯河及幼发拉底河、巴基斯坦的鳊河等流域开发沥青矿藏。1833年在英国开始进行煤沥青碎石路面铺装；1854年在巴黎首次用碾压法进行沥青路面铺装：1870年前后在伦敦、华盛顿、纽约等地采用沥青做路面铺装。自19世纪沥青路面的铺筑以来，对沥青路面的研究从没有间断过。沥青及沥青混合料是典型的热粘弹性材料，也是一种无定形材料，一般具有相当复杂的内部结构，尽管这些材料就微观结构而言并不存在像高聚物那样的

2、造成延迟弹性的变形机理，但在一定的观测时间下，这些材料也表现出变形明显依赖时间或温度的力学行为。道路沥青作为沥青路面最主要的建筑材料，沥青及沥青混合料的质量好坏直接决定沥青路面的使用性能及使用寿命。因而以粘弹性力学研究其力学行为为广大科研工作者所关注。众所周知粘弹性力学是流变学的一个分支，也是现代科学的一个新兴领域。它研究材料性质随时间变化的物体在外界因素影响下变形与外力、温度、负荷时间、加载速率等因素间的关系，以及物体中的应力场、应变场变化的有关规律。它包括两方面的内容：一是材料粘弹性本构关系的表达；一是边值问题的建

3、立与求解。1．1问题的提出(1)非线性粘弹特性问题的提出。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。Monismit

4、h[91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，这就意味着在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，非线性的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特性。在SUPERPAVE的发展过程中，对于沥青混合料非线性特性，Schaperytlo]提出用断裂力学的方法分析非线性粘弹性的温度裂缝的问题，然而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

5、原理提供理论支持。一般，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。有一点人们深信不疑，那就是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。为了能更好地描述沥青混合料的应力、应变变化的规律，因此对于沥青混合料非线性粘弹特性的探讨显得非常有必要。(2)沥青混合料非线性粘弹性动态蠕变损伤特性问题的提出。沥青混合料在成型后，并不是一个密实的整体，而是一种呈现有孔洞、微裂纹弥散的结构状态，在外部荷载和环境下，一部分能量要以热辐射、声发射及振动的形式耗散掉，也有一部分会被材料内部的

6、一些扩展裂纹及内部缺陷所吸收，故而不可避免地出现损伤。而在国内粘弹性损伤本构模型的建立及其工程应用方面的研究还比较少，特别是对沥青混合料动态蠕变损伤的研究，大多采用经典的弹性损伤模型。故有必要对沥青混合料的非线性粘弹性动态蠕变损伤模型进行探讨。1．2本文研究的意义目前，有关粘弹性理论方面的研究己经取得了许多成果，作为粘弹性理论的两个分支，线粘弹性理论已经相当成熟，非线性粘弹性理论也取得了一系列的重要的研究成果，但由于其在实验和数学理论上的困难，还处于不断地发展和完善之中。非线性的来源有两个方面，其一是由于大变形所带来的

7、几何非线性，其二是由于材料本身的本构关系中的物理非线性的因素。(1)沥青混合料非线性粘弹性单轴静载蠕变本构模型。非线性粘弹性材料的力学行为比较复杂，本构理论种类繁多，并且有许多的途径和方法，目前大致有四类，即采用经验的方法、理论的方法、半经验的方法和材料科学的研究方法以及细观的方法。常用的非线性粘弹性本构关系有重积分型、单积分型和幂律关系。其中单积分型本构关系形式简单，利于试验研究和表征材料函数，便于用来求解边值问题，因而得到广泛发展与应用。非线性粘弹性问题不易求解，本构关系的多样性导致不同的解法，除极少数简单问题外，

8、一般只能作近似解或数值解。而对于沥青及沥青混合料来说，其本构理论的研究相对较少，在众多非线性粘弹性本构理论中，究竟哪种理论更适合描述其力学性能还值得进一步研究。(2)沥青混合料非线性粘弹性阶梯蠕变本构模型。通过试验来判断粘弹性材料的力学行为是否服从线性叠加原理，最简单的试验方式是分级加荷的蠕变试验或重复蠕变回复试验。本论文通过阶梯