1、分 類 號 密 級 u d c 單位代碼 10151 基于細觀力學的瀝青混合料黏彈性能研究 指導教師 職稱教授/博導 副教授/博士學位授予單位大連海事大學申請學位級別工學碩士學科（專業）道路與鐵道工程論文完成日期2011.5答辯日期2011.6答辯委員會主席 study on viscoelastic properties of asphalt mixtures based on micromechanics a thesis submitted todalian maritime universityin partial fulfillment of the requirements for

2、 the degree ofmaster of engineeringbywang zhichen(highway and railway engineering) thesis supervisor: professor zhao yinghuaassociate professor guo naishengjune 2011大連海事大學學位論文原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人鄭重聲明：本論文是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，撰寫成碩士學位論文 “基于細觀力學的瀝青混合料黏彈性能研究” 。除論文中已經注明引用的內容外，對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確

3、方式標明。本論文中不包含任何未加明確注明的其他個人或集體已經公開發表或未公開發表的成果。本聲明的法律責任由本人承擔。學位論文作者簽名： 學位論文版權使用授權書本學位論文作者及指導教師完全了解大連海事大學有關保留、使用研究生學位論文的規定，即：大連海事大學有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大連海事大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論文。同意將本學位論文收錄到中國優秀博碩士學位論文全文數據庫（中國學術期刊（光盤版）電子雜志社）、中國學位論文全文數據庫（中國科學技術信息研

4、究所）等數據庫中，并以電子出版物形式出版發行和提供信息服務。保密的論文在解密后遵守此規定。本學位論文屬于： 保 密 在 年解密后適用本授權書。 不保密 （請在以上方框內打“” ）論文作者簽名： 導師簽名： 日期： 年 月 日中文摘要摘 要傳統的瀝青混合料設計和研究多局限于采用表象和經驗法來分析宏觀指標和路用性能的關系，忽略了復雜的內部微細觀結構，難以揭示材料變形和破壞的物理機理。瀝青混合料為典型的黏彈性材料，其黏彈性能與路用性能密切相關。本文將瀝青混合料視為多相復合材料，基于細觀力學理論研究瀝青混合料的組分材料性能和內部結構特征對其黏彈性能的影響。首先，通過蠕變試驗和動態模量試驗分析了瀝青混合

5、料及瀝青砂漿的黏彈性能變化規律，并對其影響因素進行探討。其次，應用復合材料細觀力學理論，對hashin復合球模型進行改進和簡化，并根據黏彈性對應原理，建立了瀝青混合料黏彈性能的細觀力學模型。該模型將瀝青混合料視為由粗集料和空隙夾雜相鑲嵌于瀝青砂漿基體而成的三相復合材料，且考慮了集料尺寸、級配組成和各組分相力學性能的作用。應用該模型對瀝青混合料的蠕變和松弛性能進行預測，分析了各組分相性能和集料級配對其黏彈性能的影響，并將預測結果與試驗結果進行比較分析。結果表明，兩者之間存在一定的誤差，而產生此誤差的原因可歸結為模型的基本假設與真實結構的差異，以及未能準確表征各組分相間的相互作用。據此，提出中間過

6、渡層(itl)的存在性，以此對模型進行修正，修正后模型的預測結果與試驗結果較為一致。此外，本文對橡膠顆粒瀝青混合料的黏彈性能進行了研究，通過蠕變試驗和動態模量試驗分析了橡膠顆粒摻量對瀝青混合料黏彈性能的影響，并對橡膠顆粒的作用機理進行了探討。研究結果表明，該種類型的瀝青混合料具有良好的低溫松弛性能，但高溫蠕變性能較差，由此確定合理的橡膠顆粒摻量值為2%。基于mori-tanaka方法建立了橡膠顆粒瀝青混合料黏彈性能的細觀力學模型，應用試驗結果對模型的預測精度進行驗證分析。關鍵詞：黏彈性；瀝青混合料；細觀力學；瀝青砂漿；橡膠顆粒 英文摘要abstracttraditional design an

7、d research focused on the relationship between macro index and performance of asphalt mixtures through phenomenological and experiential methods, which is difficult to reveal physical mechanism of material deformation and distress. however, the microstructure of asphalt mixtures is far more complica

8、ted. asphalt mixtures is one of typical viscoelastic materials, there are close relations between its viscoelasticity and road performance. in this paper, asphalt mixtures are treated as a multiphase composite, the effect of material properties and internal structure on its viscoelasticity is resear

9、ched based on micromechanics.firstly, creep performance and dynamic modulus test of asphalt mixtures and asphalt mortar are conducted to analyze variations of viscoelasticity respectively, and the factors which affect the viscoelasticity are discussed. secondly, using micromechanics of composite mat

10、erials, hashin composite spheres model is improved and simplified, and based on the elasctic-viscoelastic correspondence principle, a micromechanical model is developed to predict the viscoelasticity of asphalt mixtures. in this model, asphalt mixtures are regarded as a three-phase composite by embe

11、dding the coarse aggregate and air void into the asphalt mortar. effect of aggregate size, aggregate gradation and air void distribution are taken into account in this model. creep and relaxation properties of asphalt mixtures are predicted with the newly developed model, and the factors affecting t

12、he viscoelasticity are also explored. laboratory experiments results are used to verify the developed model. results show that a discrepancy exists between the predicted and measured viscoelasticity, the reasons for the discrepancy may be attributed to the differences between assumption of model and

13、 internal structure, interface interaction of each phase. thus, the intermediate transition layer (itl) is proposed, and the model is modified based on the analysis above. it can be found that the predicted results agree reasonably well with the measured ones using the modified model. 英文摘要moreover,

14、the viscoelasticity of granulated crumb rubber (gcr) modified asphalt mixtures is also investigated in this paper, the effect of gcr content on viscoelasticity of asphalt mixtures is analyzed through creep performance and dynamic modulus test, and the mechanism of gcr are also researched. results in

15、dicate that this types of asphalt mixture has better low temperature relaxation property than high temperature creep performance, the reasonable content of gcr by weigh of asphalt mixture is 2% considered the factors above. the viscoelastic micromechanical model of gcr modified asphalt mixtures is a

16、lso created based on the mori-tanaka method, and predicted precision of the model is verified and analyzed compared with the tested results.key words：viscoelastic；asphalt mixtures；micromechanics；asphalt mortar；granulated crumb rubber目錄目 錄第1章 緒 論11.1 課題背景及意義11.2 國內外研究現狀31.2.1 瀝青混合料的黏彈性能31.2.2 瀝青混合料的細

17、觀力學模型41.2.3 橡膠顆粒瀝青混合料61.3 本文主要研究內容7第2章 基本理論介紹92.1 黏彈性本構理論92.1.1 積分型本構關系92.1.2 本構模型理論102.2 復合材料細觀力學理論152.2.1 mori-tanaka方法152.2.2 廣義自洽法172.3 本章小結21第3章 瀝青混合料及瀝青砂漿的黏彈性能試驗223.1 瀝青混合料及瀝青砂漿試件223.1.1 試驗材料223.1.2 最佳瀝青用量的確定223.1.3 試件制作方法263.2 蠕變性能試驗263.2.1 試驗方法263.2.2 試驗結果分析273.2.3 蠕變性能分析283.2.4 基于蠕變試驗的松弛性能分

18、析313.3 動態模量試驗323.3.1 試驗方法323.3.2 試驗結果分析333.4 本章小結35第4章 瀝青混合料黏彈性能的細觀力學模型374.1 細觀力學模型的建立384.1.1 彈性模量預測模型384.1.2 模型簡化39目錄4.1.3 空隙的影響414.1.4 黏彈性能預測模型434.2 模型驗證及修正444.2.1 模型參數444.2.2 預測與試驗結果對比454.2.3 模型修正474.3 影響因素分析504.3.1 粗集料模量504.3.2 粗集料泊松比504.3.3 粗集料級配組成514.3.4 瀝青砂漿黏彈性能524.3.5 瀝青砂漿泊松比534.4 本章小結54第5章

19、橡膠顆粒瀝青混合料的黏彈性能研究555.1 馬歇爾試驗555.2 蠕變性能試驗565.2.1 試驗方法565.2.2 試驗結果分析565.2.3 黏彈性分析575.3 動態模量試驗605.3.1 試驗方法605.3.2 試驗結果分析605.4 橡膠顆粒瀝青混合料的細觀力學模型探討615.4.1 彈性模量預測模型625.4.2 蠕變與松弛性能預測模型625.4.3 模型驗證645.5 本章小結65第6章 結論與展望666.1 主要結論666.2 進一步研究展望67參 考 文 獻68攻讀學位期間公開發表論文73致 謝74研究生履歷75第1章 緒 論1.1 課題背景及意義瀝青路面在使用過程中，經受著

20、行車荷載和自然因素等多重作用。為提高瀝青路面的使用性能，研究人員采用不同的瀝青混合料設計方法來確定最強勁的骨架支撐和最合理的瀝青砂漿、空隙分布，現行的瀝青混合料設計方法主要包括marshall設計法和superpave設計體系。marshall設計法應用較為廣泛，而superpave設計體系是基于體積法來進行瀝青混合料設計，較傳統的marshall設計法有較大進步，但仍缺乏有效的理論依據與驗證手段參 考 文 獻1 u s department of transportation. simulation, imaging and mechanics of asphalt pavementr. v

21、irginia: turner-fairbanks highway research center, 1998.。目前，應用這兩種方法設計的瀝青路面仍存在較多工程病害。marshall設計法與superpave設計體系均局限于采用表象法和經驗法來研究瀝青混合料性能，即研究瀝青混合料宏觀品質與路用性能的相關性，提出合理的宏觀指標來進行瀝青混合料設計2 張方方,張捷,韓光等.superpave與馬歇爾兩種瀝青混合料設計方法探討j.中外公路,2008,28(6):236-239.。然而，在設計中卻可能出現宏觀指標頗為接近而實際路用性能卻相差很大的矛盾現象，這主要由于當前的瀝青混合料設計體系忽略了瀝青

22、混合料細觀結構的復雜性以及細觀結構組成(集料形狀、尺寸、空隙特征、瀝青薄膜厚度和瀝青砂漿的空間分布等)對瀝青混合料性能的影響3 汪海年，郝培文.瀝青混合料微細觀結構的研究進展j.長安大學學報(自然科學版),2008,28(3):11-14.。長期的研究和實踐表明，瀝青混合料的力學性能遠比想象中復雜得多，單純從宏觀角度已無法深入分析其復雜的力學行為，而瀝青混合料的細觀結構是決定其宏觀性質的關鍵因素。隨著基于層狀體系路面結構計算方法研究的深入，瀝青路面設計理論也日臻完善。瀝青混合料是典型的黏彈性材料，其力學性能強烈依賴于溫度和加載時間。為了使設計參數更接近于路面實際工作狀態，各國的瀝青路面設計體系

23、均傾向于考慮瀝青混合料的黏彈特性4胡霞光,李德超,田莉.瀝青混合料動態模量研究進展j.中外公路,2007,27(1):132-136.。事實上，瀝青混合料的細觀組成是影響瀝青路面實際工作性能的內在因素，而瀝青混合料黏彈性能的細觀研究為進一步研究瀝青混合料黏彈特性提供了理論基礎和重要途徑。瀝青混合料的細觀效應研究，首先需對細觀組成進行分類。早期研究中，簡單地依據材料類別將其視為由瀝青、集料、礦粉和空隙組成的多相復合材料。隨著研究深入發現，礦粉與瀝青常組成均勻的瀝青膠漿，因此又將其簡化為由瀝青膠漿、集料和空隙組成的三相多孔材料。隨著計算機層析識別技術(x-ray ct)在瀝青混合料細觀研究中應用，

24、研究人員利用數字圖像技術處理時發現，瀝青混合料中細集料粒徑較小(2.36mm)且數量較多，在常用掃描圖片中細集料與瀝青膠漿的混合難以區分。因此，為簡化分析，將瀝青混合料視為瀝青砂漿(瀝青、礦粉、細集料混合物)、粗集料和空隙組成的三相復合材料。制作各組分相含量和力學性能不同的瀝青混合料試件，通過室內試驗可以分析細觀組成參數對于瀝青混合料宏觀性能的影響5 陳國明，周純秀,譚憶秋.粗集料表面紋理的分形評定及瀝青混合料性能試驗j.交通運輸工程學報,2009,(4):1-5.-6 彭勇,孫立軍.空隙率對瀝青混合料性能影響j.武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2009,33(5):826-829.。這

25、些研究雖然已經深入到細觀層次，但大多數仍是停留在經驗指標及試驗分析上，大量重復性試驗不僅研究費用高、效率低，且沒有形成有效的力學方法，無法從力學機理上分析細觀組分相的作用，而造成這種現象的原因在于細觀指標轉換到宏觀參數存在困難，只能進行經驗性的應用，復合材料細觀力學理論為此提供了有效的分析工具7 黃曉明,李漢光,張裕卿.考慮粗集料和空隙的瀝青混合料黏彈性細觀力學分析j.華南理工大學學報(自然科學版),2009,37(7):32-36.。復合材料細觀力學研究的目的在于建立復合材料宏觀性能與各組分材料性能及細觀結構之間的定量關系8 楊慶生.復合材料細觀結構力學與設計m.北京:中國鐵道出版社,200

26、0.。復合材料在結構分析中的作用可以用與其具有相同彈性性能的等效介質來代替，這種等效介質稱的彈性模量為復合材料的等效彈性模量。影響瀝青混合料等效模量的因素主要分為兩類：(1) 瀝青混合料中各組分材料的彈性性能。(2) 瀝青混合料內部的細觀結構特性，包括夾雜相形狀、幾何尺寸、在基體中的分布和夾雜相之間的相互作用?？紤]上述因素的影響，應用較為成熟的等效模量預測方法包括mori-tanaka方法、廣義自洽理論和微分介質法等，其可以根據各組分相的彈性性能和體積分數來預測瀝青混合料的等效模量，并對其影響因素進行分析。但這些預測方法的使用均具有局限性，即理論假設條件與瀝青混合料的實際細觀特性不一致，則預測

27、結果可能會出現誤差。另外，上述預測方法僅限于彈性范圍內，而瀝青混合料為黏彈性材料，彈性黏彈性轉化問題還有待解決。因此，如何在已有研究成果的基礎上，對預測模型進行改進，使其能夠表征瀝青混合料的真實細觀結構特征，并可以用來預測及分析瀝青混合料的黏彈性能具有十分重要的意義。另外，外摻材料的加入可以改善瀝青混合料的路用性能，關于纖維和膠粉瀝青混合料的研究已較為深入9 郭乃勝,趙穎華,孫略倫.纖維瀝青混合料的動態參數試驗研究j.公路交通科技,2007,24(10):25-29.-10 曾蔚.干拌法橡膠粉混合料的低溫性能研究j.公路交通科技,2004,21(7):21-25.，而橡膠顆粒瀝青混合料因其優越

28、的降噪減震和除冰雪特性近年來備受關注，并已在我國北方地區投入使用。盡管橡膠顆粒瀝青混合料的特有路用性能已得到較好的驗證11 高明星,朱守林,方淑艷等.連續級配橡膠顆粒瀝青路面的振動特性分析j.內蒙古農業大學學報,2009,30(2):208-211.-12 周純秀,譚憶秋.橡膠顆粒瀝青混合料除冰雪性能的影響因素j.建筑材料學報,2009,12(6):672-675.，然而其在常、高溫下的黏彈性能還有待進一步研究，將黏彈性能作為標準來確定合理的橡膠顆粒摻量仍需一些基礎性的探索。當前該方面的研究仍停留在試驗階段，關于橡膠顆粒瀝青混合料的理論研究尤其是細觀力學模型的研究對深入探討橡膠顆粒的作用機理具

29、有特殊的意義。1.2 國內外研究現狀本節從瀝青混合料的黏彈性能、細觀力學模型和橡膠顆粒瀝青混合料三方面來對當前的研究進展進行論述，分析研究中存在的問題，并對研究方向進行展望。1.2.1 瀝青混合料的黏彈性能瀝青混合料具有依賴溫度和荷載作用時間的黏彈性狀，這種特性直接影響著路面的使用性能，尤其是高溫車轍和低溫開裂。為了設計性能優越的瀝青混合料以提高路面的使用壽命，國內外學者對瀝青混合料的黏彈性能進行了大量研究。瀝青混合料的黏彈性參數是表征其黏彈性能的重要標志。在早期的研究中，由于缺乏專門的設備來有效地測定和計算瀝青混合料的黏彈性參數，常用圖解法來預估其性能參數，即50年代中期van der po

30、el建立了估算各類瀝青在較大范圍溫度和荷載作用時間條件下的勁度模量諾漠圖13 日本土木學會著,方萍譯,瀝青混合料的線性黏彈性特性模型j.國外公路,1998,18(4):46-50.。隨著研究的深入及試驗設備條件的提高，研究人員更多的采用試驗方法來確定其黏彈性參數。目前，試驗方法主要分為：蠕變試驗、松弛試驗和動態模量試驗14 王旭東,沙愛民,許志鴻.瀝青路面材料動力性能與動態參數m.北京:人民交通出版社,2002.。為了更方便于工程應用及力學分析，一些學者開始將流變學理論應用于瀝青混合料的黏彈性研究。monismith c.l.應用流變理論對瀝青混合料的黏彈性能進行研究，證實可以用四參量黏彈性流

31、體burgers模型來模擬瀝青混合料的黏彈性質15 c.l.monismith，k.e.sector. viscoelastic behavior of asphalt mixtures pavementsc. 1st international conference on the structural design of asphalt pavement, usa, 1962: 476-498.。antoni szydlo通過蠕變試驗獲得burgers模型參數，應用有限元方法對路面車轍進行預估，分析結果得出其中兩個參數值對瀝青混合料的車轍深度起著至關重要的作用16 antoniszydlo，

32、piotr mackiewicz. asphalt mixes deformation sensitivity to change in rheological parametersj. journal of material in civil engineering, 2005: 1-9.。a.r.abbas應用廣義maxwell模型表征瀝青混合料的剪切性能，并用試驗結果對模型適用性進行了驗證17 a.r.abbas，a.t.papagiannakis，e.a.masad. linear and nonlinear viscoelastic analysis of the microstru

33、cture of asphalt mixturesj. journal of material in civil engineering, 2004: 133-139.。在國內，長沙理工大學鄭健龍等人對瀝青混合料黏彈性參數的研究較為深入。1995年，鄭健龍應用burgers模型來描述瀝青混合料的黏彈性動態特性，通過引入指數型損傷函數，提出了應用該模型分析瀝青混合料疲勞過程的方法18 鄭健龍.burgers黏彈性模型在瀝青混合料疲勞特性分析中的應用j.長沙交通學院學報,1995,11(3):33-42。鄭健龍(1996)通過裂縫梁純彎曲試驗來研究瀝青混合料的延遲開裂性能，結果表明：瀝青混合料具有

34、黏彈性流體特征，裂縫在瀝青混合料中的擴展表現出明顯的黏彈塑性斷裂特征，且證實研究瀝青混合料斷裂參數時，簡單熱流變材料的本構模型依然適用19 鄭健龍，應榮華，張起森.瀝青混合料熱黏彈性斷裂參數研究j.中國公路學報，1996,9(3):20-28.。周志剛、鄭建龍等(2001)采用burgers模型來模擬直接拉伸試驗下瀝青混合料的黏彈性特性，提出了黏彈性參數確定的非線性規劃數學模型，并給出該數學模型的liebenberg-marquardt求解方法20 周志剛,錢國平,鄭健龍.瀝青混合料黏彈性參數測定方法的研究j.長沙交通學院學報,2001,17(4):23-28.。鄭健龍等(2004)針對不同溫

35、度條件下瀝青混合料的應力松弛特征開展了試驗研究，并應用熱流變簡單材料的時溫等效原理對試驗結果進行了分析和參數擬合，以此提出了一種描述變溫條件下瀝青混合料溫度應力松弛特性的熱黏彈性本構模型，并通過溫度收縮應力試驗的模擬對該模型的合理性進行了驗證21 鄭健龍,田小革,應榮華.瀝青混合料熱黏彈性本構模型的實驗研究j.長沙理工大學學報(自然科學版),2004,1(1):1-7.。鄭健龍、呂松濤等(2004,2005)采用廣義maxwell模型來模擬瀝青混合料的松弛性能，用累計耗散能分析瀝青混合料的疲勞破壞、累計耗散能與疲勞壽命之間的關系，并簡要說明了累積耗散能的求解方法22 鄭健龍，呂松濤，田小革.瀝

36、青混合料年彈性參數及其應用j.鄭州大學學報(工學版),2004,25(4):8-12.-23 呂松濤，田小革，鄭健龍.瀝青混合料黏彈性參數的測定及其在本構模型中的應用j.長沙交通學院學報,2005,21(1):37-42.。burgers模型可以用來描述瀝青混合料的黏彈性能，但該模型并不能反映瀝青混合料黏滯度隨加載時間的延長而增大的固結效應，針對此缺陷，徐世法24 徐世法.表征瀝青及瀝青混合料高低溫蠕變性能的流變學模型j.力學與實踐,1992,14(1):37-40.對burgers模型進行修正，提出了能夠精確表征瀝青混合料變形特征的“四單元、五參數”模型。但由于修正模型參數確定較為復雜、蠕變

37、與松弛形式轉換存在困難，在研究中應用較少。近年來，為了使模型更好地反映瀝青混合料的黏彈性特征，一些學者考慮了非線性和疲勞損傷等影響因素，建立了瀝青混合料的非線性、疲勞損傷等黏彈性模型25 張久鵬,黃曉明,高英.瀝青混合料非線性蠕變模型及其參數確定j.長安大學學報(自然科學版),2009,29(2):24-27.-26 張久鵬,黃曉明,馬濤.瀝青混合料損傷蠕變特性及模型研究j.巖土工程學報,2008,30(12):1867-1871.，雖然這些模型擬合結果更為準確，但模型中部分參數力學意義并不明確，參數確定較為復雜且存在一定的局限性，不便于工程應用。1.2.2 瀝青混合料的細觀力學模型通過試驗方

38、法可以直接研究瀝青混合料的力學性能，但周期較長、耗費大量的人力和材料。為此，相關研究人員更寄望于建立細觀力學模型對其力學性能進行預測，以及量化各項因素對其力學性能的影響。關于瀝青混合料細觀力學模型的研究主要有路易斯安那州立大學(louisiana state university)的guoqiang li研究團隊和田納西大學(the university of tennessee)的baoshan huang研究團隊，這兩位學者及其團隊的研究成果基本引領了當今世界在瀝青混合料細觀力學模型領域的發展潮流，而兩支團隊之間的合作更是代表著瀝青混合料細觀力學模型的未來發展趨勢。1999年，li等在ch

39、ristensen and lo三相球模型的基礎上，考慮了中間過渡層的作用，提出了水泥混凝土有效體積模量預測的細觀力學模型27 guoqiang li, yi zhao, su-seng pang, four-phase sphere modeling of effective bulk modulus of mixturesj. cement and mixtures research, 1999, (29): 839-845.。li等(1999)在彈性力學和細觀理論的基礎上，提出了更符合水泥混凝土細觀結構的四相球模型，并用該模型來預測水泥混凝土的楊氏模量，對影響因素進行了分析28 guoq

40、iang li, yi zhao, su-seng pang, et al. effective youngs modulus estimation of mixturesj.cement and mixtures research 1999, (29): 1455-1462.。隨后，li研究團隊將細觀力學模型的應用轉向瀝青混合料領域。1999年，li等提出了瀝青混合料的三相球模型，將瀝青視為基體，集料為夾雜相，忽略空隙的影響作用，對瀝青混合料的彈性模量進行預測，由于缺乏試驗結果，并沒有對該模型預測結果的準確性進行分析29 guoqiang li, yongqi li, j. b. metca

41、lf, et al. elastic modulus prediction of asphalt mixturesj. journal of materials in civil engineering, 1999, 11(3): 236-241.。2005年，團隊成員li和metcalf將瀝青混合料視為粗集料和瀝青砂漿組成的兩相復合材料，進一步將瀝青砂漿看成由細集料和瀝青膠漿(瀝青與礦粉組成)組成的兩相復合材料，由此提出了預測瀝青混合料的彈性模量的兩步法，結果表明預測值與試驗值較為接近30 li, y. q., metcalf j. b. two-step approach to predi

42、ction of asphalt mixtures modulus from two-phase micromechanical modelsj. j. mater. civ. eng., 2005, 17(4): 407-415.。2005年，huang研究團隊與li進行合作，對含有中間過渡層(intermediate transition layer, itl)的瀝青混合料細觀結構進行探討，研究表明itl可以減少界面的應力應變集中現象，并通過室內試驗和有限元分析對itl的真實存在性作了初步驗證31 baoshan huang, guoqiang li, xiang shu. investi

43、gation into three-layered hma mixturesj. composites, 2006, part b, (37): 679-690.。2007年，huang等在已有研究成果的基礎上，提出了含有itl的瀝青混合料細觀力學模型，并分析了itl的模量對于瀝青混合料彈性性能的影響，但該模型的預測精度還有待進一步驗證32 baoshan huang, xiang shu, guoqiang li. analytical modeling of three-layered hma mixturesj. international journal of geomechanics

44、, 2007, 7(2), 140-147.。盡管上述細觀力學模型可以用來預測瀝青混合料的力學性能，但都僅限于彈性范疇，將彈性細觀力學模型過渡至黏彈性范圍便成為一個必然的研究課題。shu和huang(2007,2008)將瀝青混合料視為兩層材料，即瀝青膠漿裹附的集料夾雜在的瀝青混合料等效介質中，并考慮了集料尺寸、級配組成和空隙影響，應用細觀力學理論和黏彈性對應原理推導出瀝青混合料的動態模量預測表達式，并將預測值與試驗值進行對比，發現在較高頻率下預測值與試驗值較為接近，但整體預測值較試驗值偏低33 xiang shu, baoshan huang. micromechanics-based dy

45、namic modulus prediction of polymeric asphalt mixtures mixturesj. composites, 2008, part b, (39): 704-713.-34 xiang shu, baoshan huang. dynamic modulus prediction of hma mixtures basedon the viscoelastic micromechanical modelj. journal of materials in civil engineering, 2008, 20(8): 530-538.。國內關于瀝青混

46、合料細觀力學模型的研究起步較晚，但對細觀力學模型修正方法作了初步的探討。關于彈性細觀力學模型的研究，朱興一等(2010)應用文獻33-34中的預測模型，結合多步驟方法，即將各檔粒徑集料與空隙逐一投入，然后進行均勻化，得到多夾雜復合材料彈性模量，與試驗值對比的結果表明，預測值與試驗值基本一致35 朱興一,黃志義,陳偉球.基于復合材料細觀力學模型的瀝青混合料彈性模量預測j.中國公路學報,2010,23(3):29-33.。在黏彈性細觀力學模型方面的研究則主要集中于蠕變性能預測，閔召輝等(2004)應用mori-tanaka方法和黏彈性對應原理對環氧瀝青瑪蹄脂的蠕變性能進行了預測，并采用逾滲理論對預

47、測值進行修正，修正后的預測值與試驗值吻合較好36 閔召輝,黃衛,錢振東.環氧瀝青瑪蹄脂黏彈性能的細觀研究j.公路交通科技,2004,21(7),9-11.。薛國強等以瀝青砂漿為基體，考慮粗集料和空隙的影響，利用mori-tanaka方法和laplace變換原理直接推導了瀝青混合料的黏彈性本構方程，并分析了空隙率、泊松比等因素對瀝青混合料黏彈性能的影響7,37 薛國強,張裕卿,黃曉明.瀝青混合料黏彈性微觀力學分析j.公路交通科技,2009,26(6):18-23.。為了驗證該本構方程的正確性，張裕卿等對粗集料增強系數進行預測，將靜態蠕變試驗換算結果與預測結果進行對比，發現預測值比試驗值低25%左

48、右，并將誤差歸因于mori-tanaka方法對集料間相互作用的弱化效應，同樣采用逾滲理論對預測值進行修正，修正后的模型預測值與試驗值較為接近38 張裕卿,黃曉明.基于微觀力學的瀝青混合料黏彈性預測j.吉林大學學報(工學版),2010,40(1):52-57.。在以上關于瀝青混合料細觀力學模型研究的文獻中，mori-tanaka方法假設微小的夾雜相鑲嵌于無限大的均勻介質當中，因此文獻36-38應用該方法進行細觀分析時，未考慮集料尺寸的影響作用，這與瀝青混合料的真實結構存在一定的偏差。文獻33-34提出的模型較好地符合了瀝青混合料的真實結構組成，考慮了集料尺寸和級配效應的影響作用，但僅對其動態模量

49、進行了預測，未對預測結果進行修正。蠕變與松弛是反映瀝青混合料黏彈性能的重要指標，因此，建立可以表征瀝青混合料真實結構的細觀力學模型來預測其蠕變和松弛性能顯得尤為關鍵。當前關于模型修正理論的研究主要集中于直接應用逾滲理論對夾雜相體積分數進行修正。實際上，該理論中的部分參數為經驗取得，在瀝青混合料領域的適用性還尚需進一步考究。從瀝青混合料本身的細觀結構角度出發，文獻31-32已經證實itl的真實存在性，但在預測模型中卻沒有充分考慮，將itl作為夾雜相加入預測模型中，分析itl的厚度和性能對瀝青混合料黏彈性的影響，據此確定合理的itl參數對模型進行修正，也是一個重要研究方向。1.2.3 橡膠顆粒瀝青

50、混合料橡膠顆粒是一種有機高分子材料，其性質與石料具有明顯差異，橡膠顆粒的添加改變了瀝青混合料內部的組成結構和材料間的粘結接觸狀態，同時也給混合料的級配組成設計、力學性能研究等帶來了新的問題。關于橡膠顆粒瀝青混合料的研究開始于上世紀80年代，heitzeman(1992)率先將橡膠顆粒作為骨料添加到瀝青混合料中，作為路面磨耗層使用39 heizman, michael. design and construction of asphalt paving materials with crumb rubberr. transportation, report no. wa-rd 252.1, ol

51、ympia, washington, 1992: 87-92.。美國工程兵寒冷地區工程實驗室將4.759.5mm的橡膠顆粒加入瀝青混合料中，通過研究發現，橡膠顆粒瀝青混合料可以有效地破除路面結冰，且橡膠顆粒摻量越高，除冰雪效果越明顯40 state of california department of transportation. asphalt rubber usage guides. division of engineering services, 2003: 1-4.。在國內，關于橡膠顆粒瀝青混合料的研究主要有兩個方面：2006年，哈爾濱工業大學譚憶秋等在西部交通建設科技項目橡膠顆

52、粒路面應用技術的研究資助下，率先對橡膠顆粒瀝青混合料的級配組成、拌和成型及施工工藝、除冰雪性能做了深入的研究，取得了大量的研究成果41 辛星,譚憶秋,徐立廷等.橡膠顆粒瀝青混合料設計的影響因素分析j.公路,2006,(11):161-164.-42 周純秀,譚憶秋,辛星.橡膠顆粒瀝青混合料的試驗研究素j.公路交通科技,2005,(8):11-14.。2009年，內蒙古農業大學高明星等結合內蒙古自治區高等學校科學研究項目廢舊輪胎橡膠顆粒瀝青混合料關鍵技術研究，通過試驗采集和有限元模擬對大粒徑橡膠顆粒瀝青路面的降噪減振性能進行研究43 高明星,朱守林,方淑艷等.密實型廢舊橡膠顆粒瀝青混合料的降噪特

53、性研究j.內蒙古農業大學學報,2009,30(1):158-162.-44 高明星.連續級配橡膠顆粒瀝青路面降噪特性的研究d:(博士學位論文).呼和浩特:內蒙古農業大學,2009.。從上述的橡膠顆粒瀝青混合料研究現狀可以看出，大部分研究的主要目的是通過橡膠顆粒瀝青混合料路用性能、除冰雪和降噪減振性能的研究，鋪筑性能良好的橡膠顆粒瀝青路面。而對于該種瀝青混合料的黏彈性能，尤其是在高溫條件下的蠕變性能還有待一些基礎性的研究。此外，國內外關于橡膠顆粒瀝青混合料的研究仍停留在試驗范圍，力學性能方面的理論研究較少，為此，本文將嘗試建立橡膠顆粒瀝青混合料的細觀力學模型，對其黏彈性能進行預測及分析。1.3

54、本文主要研究內容針對瀝青混合料黏彈性能和細觀力學模型領域的研究現狀，本文在已有研究成果的基礎上開展了基于細觀力學的瀝青混合料黏彈性能研究，主要包括：(1) 通過不同溫度下蠕變試驗來研究級配和溫度對于瀝青混合料和瀝青砂漿黏彈性能的影響，并對蠕變曲線進行burgers模型參數擬合。基于蠕變試驗和laplace變換分析瀝青混合料的松弛性能，對瀝青混合料和瀝青砂漿進行動態模量試驗，分析粗集料對于瀝青砂漿動態模量的增強作用，探討相位角的影響因素。(2) 基于細觀力學理論和黏彈性對應原理，建立瀝青混合料黏彈性能的細觀力學模型，使得該模型能夠考慮級配、空隙和各組相力學性能的作用，對瀝青混合料的蠕變和松弛性能進行預測，分析各項因素對其黏彈性能的影響，將預測結果與試驗結果進行對比，對模型進行修正。(3) 對橡膠顆粒瀝青混合料進行蠕變試驗和動態模量試驗，研究橡膠顆粒摻量對瀝青混合料常、高溫蠕變性能的影響，以及分析橡膠顆粒的摻入對于瀝青混合料動態模量的影響，據此給出橡膠顆粒的合理摻量。(4) 應用mori-tanaka方法及黏彈性對應原理，建立橡膠顆粒瀝青混合料黏彈性能的細觀力學模型，通過橡膠顆粒和瀝青混合料的力學性能對橡膠顆粒瀝青混合料的蠕變和松弛性能進行預測。第2章 基本理論介紹2.1 黏彈性本構理論本構關系是指描述材料應力應變時間溫度之間的關系，反映材料宏觀性質的數學模型45 關宏信 瀝青