水泥沥青复合砂浆的微观结构与力学行为研究

针对水泥沥青复合砂浆（CA砂浆）组分材料之间胶结固化机理及微观结构、本构方程及其粘弹性力学行为三个方面开展研究，完成了项目计划的研究内容。从CA砂浆固化过程中体系的粘度、胶浆平均粒径、乳化沥青的聚集过程及固化体系电阻率随时间变化的角度，深入揭示了CA砂浆的固化过程及其固化机理。CA砂浆的早期固化过程分为溶解期、诱导期及凝结硬化期三个阶段，而长期固化过程分为0-7d的快速固化期及7-28d的稳定固化期两个阶段。同时研究了乳化剂类型、用量及乳化沥青对水泥水化的影响规律。乳化剂及乳化沥青对水泥不仅存在缓凝作用，同时还会减小水泥的后期水化度。研究了CA砂浆的微观结构及孔隙结构特征，建立了CA砂浆微观结构模型，提出了二级分散系的概念，根据第二级分散系的结构特征，将CA砂浆划分为水泥基CA砂浆及沥青基CA砂浆两种类型。根据CA砂浆的微观结构特征，提出了描述CA砂浆粘弹性力学行为的力学模型，结合试验研究建立了CA砂浆的本构方程。基于本构方程分析了温度及材料配比等因素对CA砂浆粘弹性力学行为的影响规律。水泥基CA砂浆力学性能受温度的影响较小，其相位角基本不随温度和频率的变化而变化。沥青基CA砂浆具有明显的温度敏感性，温度对CA砂浆复模量的影响体现为低温性能接近但高温性能对温度十分敏感。A/C（CA砂浆中沥青与水泥的质量比）对CA砂浆力学性能的影响规律为低温性能受A/C影响较小，而高温性能受A/C影响显著。通过对三元件分数导数模型的参数分析表明，CA复合胶浆在25℃时粘性成分比例最大，此时损失模量与储存模量比值最大。通过WLF方程研究了CA砂浆的时温等效特性，得到了不同A/C比CA砂浆粘弹性力学参数的主曲线。分析了CA砂浆的蠕变特性，修正伯格斯模型能够较好的模拟其蠕变行为。CA砂浆的模量、强度及破坏能均随着温度的升高及A/C的增加而减小。CA砂浆在重复荷载作用初期模量衰减较快，重复荷载作用使得CA砂浆的粘性成分降低而弹性成分升高。在一定范围内，可以通过适当提高A/C值来增强CA砂浆的疲劳性能。分析了水对CA砂浆力学特性的影响规律，研究了CA砂浆的阻尼特性及其影响因素。

针对水泥沥青砂浆(cement asphalt mortar简称CA砂浆)的固化过程、微观结构对其力学性能的影响问题开展研究。从水泥的水化、乳化沥青的破乳两个过程及二者的相互作用入手，研究CA砂浆的固化过程及固休机理，分析固化过程对CA砂浆力学性能的影响；基于微观力学及界面力学，分析CA砂浆固化体的微观结构，并建立微观结构模型及其表征参数，分析微观结构与宏观力学性能的对应关系；基于粘弹性本构理论，结合微观模型表征参数，建立CA砂浆的力学分析模型及粘弹性本构方程；在本构方程的基础上，结合数值方法，分析CA砂浆的粘弹性力学行为，并通过实验结果进行验证。.该项目可以深入揭示CA砂浆宏观力学性能的微观机理、及对力学性能影响的敏感性因素，从而为CA砂浆的性能设计提供理论依据；本项目的研究成果对于其它先进水泥基复合材料力学性能的研究具有一定的参考价值，对于材料学科及粘弹性理论的发展具有一定的推动作用。

目前改性沥青聚合物多采用橡胶、树脂与热塑性弹性体，与沥青主要通过物理改性实现，聚合物在沥青中以颗粒、丝状和网络状等分散形式存在，这种丝状和网络状结构在荷载与温度作用下容易发生破坏。本研究以热固性环氧树脂作为沥青改性剂，固化后的环氧树脂可以形成不可逆空间网络结构，赋予环氧沥青材料优异路用性能。本课题研究环氧沥青的微观结构及动态力学性能，分析环氧沥青的相逆转与相分离特征，建立组分配比与相逆转二维图，构建环氧沥青的微观结构模型与细观力学模型，并对环氧沥青性能进行预测。本研究成果为环氧沥青材料研究与开发奠定理论基础，并可以有效指导环氧沥青材料设计、构建与优化。 2100433B

近年来越来越多的事实证明沥青路面中存在氧化老化，沥青混合料氧化老化贯穿于沥青路面整个寿命周期。现阶段对沥青老化的化学机理研究得比较透彻，但基于微观结构沥青混合料氧化老化行为与机理的研究却非常有限。本项目拟构建沥青混合料的三维微观结构，将模型导入有限元软件，利用菲克第二定律模拟氧气的扩散过程。基于傅立叶变换红外光谱试验和化学动力学建立羰基的生成速率模型。通过动态力学分析仪和动态剪切流变仪建立羰基面积与沥青粘结料粘弹特性、沥青玛蹄脂的粘弹特性的关系模型。利用每一年的氧气扩散结果，结合羰基生成速率模型计算得到沥青玛蹄脂中各个单元的羰基面积，从而赋予沥青玛蹄脂中每个单元不同的粘弹特性。对沥青混合料进行虚拟动态模量测试和间接拉伸测试，研究氧化老化对沥青混合料整体力学响应的影响。研究成果为探索沥青混合料氧化老化机理,预测沥青路面的氧化老化行为、优化沥青路面的设计奠定基础。