基于分数阶导数理论的沥青混合料力学特性

1. 具有针对性和指导性。针对我国沥青路面混合料力学变形特性及车辙病害产生机理进行研究。

2.具有先进性。分数阶导数理论由于具有参数少和能够更加准确地描述黏弹性材料的力学行为而获得了广泛的应用。国内外基于此理论对沥青材料得力学特性开展的研究较少。

3.具有较强的实用性。书中给出沥青胶砂的分数阶导数理论本构模型，对准确描述沥青材料的力学特性具有较强的指导及借鉴价值。

 

 

本书基于沥青混合料力学行为理论研究及实际工程需求，结合分数阶导数理论在描述材料复杂条件下力学行为的优势，分别利用分数阶导数理论构建一种新的改进分数阶导数幂函数经验蠕变本构模型和考虑应力水平、温度水平的经验蠕变本构模型，分别描述沥青砂的蠕变恢复特性和沥青混合料单轴静载蠕变变形特性，并且基于ABAQUS提供的用户材料子程序二次开发功能，编写新构建的分数阶导数沥青混合料经验蠕变本构模型子程序，对沥青混合料单轴静载压缩蠕变试验和沥青混合料车辙试验进行数值模拟分析，进而实现沥青混合料在循环动态荷载作用下的车辙变形预估，为进一步研究沥青混合料的永久变形特性提供了新的方法。

本书可供从事交通运输工程、道路与铁道工程以及道路建筑材料等领域的工程设计、管理、施工、养护技术人员阅读，也可供高等学校以及科研院所的教师、学生以及科研人员等参考。

 

第 1 章绪论1

1.1我国沥青路面发展概述1

1.2沥青路面典型病害1

1.2.1裂缝2

1.2.2坑槽2

1.2.3车辙3

1.2.4泛油3

1.3沥青混合料车辙预估模型5

1.3.1国外研究概况5

1.3.2国内研究概况8

1.4分数阶导数理论应用概述12

1.4.1国外研究概况12

1.4.2国内研究概况12

1.5本书主要内容及结构框架15

本章参考文献17

第2章黏弹性理论及石油沥青黏性流变性质20

2.1黏弹性及黏弹性力学20

2.1.1黏弹性20

2.1.2黏弹性力学21

2.2线性黏弹性本构理论21

2.2.1弹簧22

2.2.2黏壶22

2.2.3麦克斯韦模型23

2.2.4开尔文模型23

2.2.5三元件固体模型24

2.2.6广义麦克斯韦模型和广义开尔文模型26

2.2.7伯格斯模型26

2.3流变性质及流变学的概念26

2.3.1材料的流变性质27

2.3.2流变学27

2.4沥青材料的流变特性28

2.4.1牛顿流型沥青28

2.4.2非牛顿流型沥青29

2.4.3触变性流体30

2.5沥青黏度的测定方法30

2.5.1毛细管法30

2.5.2布洛克菲尔德黏度计法32

2.6沥青材料对于温度、时间的依赖性34

2.6.1试验材料与方法34

2.6.2试验结果34

2.6.3试验结果分析36

2.6.4温拌沥青感温性能评价指标分析38

2.6.5结语38

2.7本章小结39

本章参考文献39

第3 章分数阶导数理论及应用40

3.1概述40

3.2分数阶导数理论基础40

3.2.1黎曼-刘维尔定义及主要性质40

3.2.2分数阶导数的拉普拉斯变换与傅里叶变换41

3.2.3分数阶导数元件模型及性质43

3.3分数阶导数模型的应用45

3.3.1分数阶导数模型在岩土工程领域的应用46

3.3.2分数阶导数模型在高分子聚合物材料领域的应用简介57

3.4本章小结57

本章参考文献58

第4章基于分数阶导数理论的沥青胶浆流变性能60

4.1概述60

4.2沥青胶浆动态剪切流变性能61

4.2.1沥青胶浆制备64

4.2.2动态剪切流变试验66

4.2.3沥青胶浆动态频率扫描试验结果分析68

4.2.4分数阶导数沥青胶浆动态力学特性分析71

4.2.5基于分数阶导数沥青胶浆动态力学特性分析73

4.3沥青胶浆低温流变性能74

4.3.1仪器原理及试验步骤75

4.3.2分数阶导数沥青胶浆低温黏弹性损伤蠕变模型76

4.4本章小结81

本章参考文献82

第5章分数阶导数沥青砂静载蠕变本构模型84

5.1概述84

5.2沥青砂黏弹性本构关系84

5.3改进的分数阶导数沥青砂黏弹性经验蠕变模型85

5.3.1分数阶导数幂函数蠕变模型理论分析85

5.3.2改进的分数阶导数幂函数经验蠕变本构模型86

5.4沥青砂单轴静载蠕变恢复试验86

5.4.1沥青砂单轴静载蠕变恢复试验方案86

5.4.2试验原材料及配合比设计87

5.4.3沥青砂单轴静载蠕变恢复试验93

5.5模型验证与分析96

5.5.1基于本书试验结果的模型验证与分析96

5.5.2基于已有试验结果的模型验证与分析98

5.6本章小结99

本章参考文献99

第6章基于分数阶导数理论的沥青混合料永久变形特性研究102

6.1概述102

6.2沥青混合料高温抗剪性能评价指标研究110

6.2.1沥青混合料单轴压缩试验110

6.2.2沥青混合料车辙试验112

6.2.3沥青混合料变形强度试验113

6.3沥青混合料单轴静载蠕变恢复试验116

6.3.1试验方案116

6.3.2沥青混合料单轴静载蠕变恢复试验结果及分析117

6.4分数阶导数沥青混合料经验蠕变本构模型120

6.4.1分数阶导数经验蠕变本构模型120

6.4.2模型参数识别121

6.4.3模型验证122

6.5本章小结123

本章参考文献124

第7章分数阶导数沥青混合料经验蠕变本构模型有限元应用126

7.1概述126

7.2基于ABAQUS的分数阶导数经验蠕变本构模型UMAT实现128

7.2.1UMAT子程序简介128

7.2.2UMAT子程序流程及实现128

7.3单轴静载蠕变数值模拟结果分析129

7.3.1有限元模型129

7.3.2单轴静载蠕变数值模拟结果分析130

7.4循环动态荷载作用下沥青混合料车辙预估131

7.4.1有限元模型131

7.4.2荷载模型131

7.4.3车辙试验有限元模拟132

7.5本章小结133

本章参考文献134

 

沥青路面由于其具有良好的行车舒适性、噪声小、对路基不均匀沉降适应性强和易于快速维修等优点而得到广泛应用。由于沥青混合料的力学性能受原材料种类、矿料级配组成、环境温度、荷载水平等多种因素影响，想要全面准确地描述沥青混合料的力学行为十分困难。近年来，分数阶导数理论由于具有参数少，并且能够更加精确地描述黏弹性材料的力学行为而获得了广泛的应用。因此，本书尝试将分数阶导数理论与黏弹塑性力学理论有机结合，按照沥青混合料胶浆理论，分别对沥青胶浆、沥青砂及沥青混合料的力学性能进行系统研究。研究结果表明：分数阶导数本构模型能够更加精准地描述沥青胶砂及沥青混合料的蠕变及恢复特性，具有较为广泛的适用性，同时为进一步研究沥青混合料的永久变形特性提供了新的途径。

全书共分为7章。第1章介绍沥青路面病害种类、成因及分数阶导数理论应用概况。第2章介绍沥青的黏弹性性质及测试方法。第3章介绍分数阶导数理论及其在工程中的应用。第4章基于分数阶导数理论研究沥青胶浆的流变性能。第5章基于分数阶导数理论研究沥青砂的蠕变恢复特性。第6章基于分数阶导数理论构建了沥青混合料的蠕变本构模型。第7章基于有限元对沥青混合料的车辙变形进行了计算分析。书中用较大篇幅阐述了分数阶导数理论概况及相关模型的推导计算，并在此基础上提出了相应改进，进而演绎出多种沥青材料的半经验半理论本构模型，为全面准确地描述沥青材料的力学特性提供了有益的补充。

在本书的著述过程中，得到了河南城建学院青年骨干教师项目的资助，在此特表感谢。此外，书中还参考、引用了行业规范及标准以及同行和有关专家的资料及成果，在此一并表示感谢。

由于作者知识及水平有限，书中难免有不尽如人意之处，敬请读者不吝指正。