钢渣沥青混合料随机粘弹塑本构模型及其在车辙预估中的应用研究

While steel slag aggregate are used in asphalt mixture, the technology has promoted the recycling of the solid wastes in our country. But the prediction of rutting for steel slag asphalt pavement still lack of study. The primary objective of this research is the study of permanent deformation of steel slag asphalt mixture. Based on the Schapery nonlinear viscoelastic realation, a stochastic viscoelastic–viscoplastic constitutive model with a lognormally distributed random parameter is proposed by combined viscoplastic model and stochastic statistics theory. The model is proved by the random load tests. The UMAT FE model is further proposed by increment method. The permanent deformation of steel slag asphalt mixture and the rutting of steel slag asphalt pavement are calculated by the elastic multi-layer theory. Then the simulation is validated by the rutting tests. The modified influences of various fine aggregate are evaluated to explore the optimal fine aggregate and graduation as well. Finally the appropriate rutting prediction method of steel slag asphalt pavement is concluded.

钢渣在沥青混合料中的应用技术将使钢渣资源有望得到大量合理的利用，但钢渣沥青路面的车辙预估方法研究尚不够深入。本项目以钢渣沥青混合料为研究对象，基于Schapery模型的非线性粘弹性本构关系，结合粘塑性本构模型和随机统计理论，从而建立三维随机粘弹塑性本构模型，采用随机载荷实验验证模型的正确性。进一步基于自定义本构模型UMAT有限元方法和多层弹性层状体系理论与基本假设，分别计算钢渣路面结构的永久变形与车辙深度。最后应用车辙实验，分别测试不同类型细集料的改性作用，开发最佳的细集料类型与级配。最后提出适用于钢渣沥青路面的车辙预估方法。

将钢渣作为沥青混合料集料能有效提高沥青混合料性能，同时也解决了钢渣的有效利用问题，实现了资源节约和环境友好，符合可持续发展战略。因此，钢渣沥青混合料的制备、力学性能研究对于道路工程具有重要意义。本项目将钢渣合理掺入沥青混合料制成钢渣沥青混合料试件，进行不同载荷、不同试件、不同温度条件下的压缩蠕变实验，借助提出的随机模型，成功预测钢渣沥青混合料试件的蠕变回复非线性力学行为。另外，本项目还从实验和数值两方面对沥青混合料直接拉伸与半圆弯曲试件的损伤断裂行为进行了预测分析。本项目发表论文 7篇，其中 5篇被 SCI或EI检索，申请中国发明专利1项，授权实用新型专利1项，培养了2名研究生。项目主要工作如下：.（1）基于Schapery积分型本构模型和Swchartz黏塑性模型，建立并验证了适用于刻画沥青混合料非线性蠕变回复行为的粘弹塑本构模型，预测了橡胶颗粒沥青混合料蠕变回复变形。.（2）为了描述理想级配沥青混合料异质性内部结构带来材料的随机力学特性，在相同实验条件下开展N次重复实验，得到容量为N的应变样本，用对数正态概率密度函数近似描述粘塑性随机参数的分布规律，基于应力递增蠕变回复和恒应力蠕变实验建立了随机粘弹塑本构模型，模型预测的75%置信度期望区间与不同蠕变实验数据吻合良好。.（3）基于上述模型，通过钢渣沥青混合料常温(25℃)下蠕变实验和应力递增蠕变实验所得数据确定模型参数，通过其它温度(35℃、45℃、55℃、65℃)下应力递增蠕变回复实验确定不同温度下模型参数，验证模型在不同温度下的适用性。简化已有的随机模型，将粘塑性参数中的k作为随机变量，开展随机加载和循环载荷实验进行模型预测验证，结果表明实验数据与模型预测90%置信度期望区间吻合良好。.（4）基于损伤力学理论和随机骨料生成技术，编制自定义脆弹性损伤模型UMAT，结合商用有限元软件建立异质性结构有限元模型，定量分析了沥青混合料直接拉伸试件，半圆弯曲试件的断裂行为和损伤机理。