水泥沥青复合胶浆本构模型及细观结构研究

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水泥沥青复合砂浆是由水泥、沥青、砂及多种外加剂胶结固化而形成的一种新型有机无机复合材料,目前主要应用于高速铁路无砟轨道结构中,起到支撑、调节及减振三方面的作用。水泥沥青复合胶浆是由水泥和沥青构成的复合结合料,其材料性质将从根本上决定水泥沥青复合砂浆的材料性能。同时水泥沥青复合胶浆在道路养护及半柔性基层结构中也有着广泛的应用。本文针对水泥沥青复合胶浆的动态力学性能开展研究,结合粘弹性理论建立其本构方程,分析水泥沥青复合胶浆力学性能的影响因素,并研究其力学性能的细观机理。基于粘弹性理论建立了描述水泥沥青复合胶浆动态力学性能的本构模型,确定了动态力学性能的实验研究方法。基于三参数固体模型、分数导数模型、广义Kelvin模型及2S2P1D模型,推导了描述水泥沥青复合胶浆动态力学性能的本构模型,采用复模量描述其动态力学行为。利用DMA(Dynamic MaterialAnalysis)动态材料分析方法研究水泥沥青胶浆的动态力学性能,确定了相关的试验条件。基于CAM模型分析了水泥沥青复合胶浆的动态力学性能,并研究了沥青水泥质量比(A/C比)及温度对其动态力学性能的影响。在动态力学性能实验研究的基础上,结合时温等效原理得到了不同基准温度下的主曲线,通过CAM模型对主曲线进行了回归分析。结合CAM模型分析了A/C比及温度对水泥沥青复合胶浆的复模量、相位角及温度敏感性的影响。CAM模型能够较好的拟合水泥沥青复合胶浆的动态力学性能,水泥沥青复合胶浆的力学性能受温度、A/C比及加载频率的影响显著,表现出较强的粘弹性特性。基于动态力学性能实验,建立了水泥沥青复合胶浆的动态本构方程,对比分析了不同本构方程的适用性。分别采用三参数固体模型、广义Kelvin模型、三元件分导模型及“2S2P1D”等粘弹性本构模型对复合胶浆储存模量主曲线进行拟合,进而得到其本构方程。对比分析了A/C比及温度对本构模型参数的影响规律,分析了水泥沥青复合胶浆的力学性能随A/C比及温度的变化规律。通过本构方程对水泥沥青复合胶浆损耗模量及相位角进行了预测,通过与实验结果的对比,分析了不同本构模型的适用性。在实验研究的基础上,建立了水泥沥青复合胶浆的细观结构模型,分析了其宏观力学性能差异的细观机理。采用SEM、MIP及粒度分析实验分别分析了不同A/C复合胶浆的表观形态、孔结构及水泥水化产物颗粒粒径,提出了复合胶浆细观结构模型,并将其划分为水泥基复合胶浆及沥青基复合胶浆两种类型。分析了细观结构变化对复合胶浆力学性能的影响,提出了复合胶浆沥青膜厚度的计算方法,结合体积参数与原材料性质对水泥沥青复合胶浆的模量进行了预测。
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