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碾压式沥青混凝土粘弹性模型的多维度分析与精准选型研究

一、引言

1.1研究背景与意义

道路作为交通基础设施的重要组成部分，对于地区的经济发展、人员流动和物资运输起着关键作用。沥青混凝土因其优良的性能，如良好的平整度、抗滑性、低噪音以及施工便捷等特点，在道路建设中得到了极为广泛的应用。从城市的主干道到高速公路，从机场跑道到一般的乡村道路，沥青混凝土路面随处可见，成为现代道路建设的首选材料之一。

沥青混凝土本质上是一种典型的粘弹性材料，其力学行为表现出显著的时间和温度依赖性。在荷载作用下，沥青混凝土不仅会产生弹性变形，即当荷载去除后能够恢复原状的变形；还会发生粘性流动，这种变形会随着时间的推移而持续发展，且不可恢复；同时，蠕变现象也较为明显，即在恒定荷载作用下，变形会随时间不断增加。这些复杂的粘弹性行为使得沥青混凝土在实际服役过程中的力学响应变得难以准确描述和预测。例如，在高温季节，沥青混凝土的粘性流动加剧，容易导致路面出现车辙、拥包等病害，影响行车安全和舒适性；在低温环境下，其材料变脆，应力松弛能力下降，容易产生裂缝，降低道路的使用寿命。

为了深入理解沥青混凝土的力学行为，众多学者提出了各种粘弹性模型。这些模型通过数学表达式来描述沥青混凝土的应力-应变关系，进而预测其在不同荷载和环境条件下的变形特性。常见的粘弹性模型包括Maxwell模型、Kelvin模型、Burgers模型以及广义Maxwell模型和广义Kelvin模型等。然而，由于沥青混凝土的组成成分复杂，包括沥青、集料、矿粉以及各种添加剂，且其内部结构存在着微观和细观层面的差异，不同的粘弹性模型在描述沥青混凝土的粘弹性行为时具有各自的优缺点和适用范围。例如，Maxwell模型能够较好地描述材料的应力松弛现象，即当应变保持恒定时，应力随时间逐渐减小的过程，但对于蠕变过程的模拟存在一定局限性，它无法准确反映材料在长期荷载作用下的蠕变变形规律；Kelvin模型则更适合描述材料的蠕变恢复特性，即当荷载去除后，材料变形逐渐恢复的过程，却难以准确反映应力松弛行为。

准确选择和应用合适的粘弹性模型，对于道路工程领域具有重要的现实意义。在道路设计阶段，通过合理运用粘弹性模型，可以更加精确地预测路面在车辆荷载和环境因素作用下的力学响应，从而优化路面结构组合设计。例如，根据粘弹性模型的预测结果，可以合理选择沥青混凝土的类型、级配以及各结构层的厚度，提高路面的承载能力和耐久性，减少早期病害的发生，降低道路全寿命周期成本。同时，深入研究粘弹性模型的适用性，有助于推动沥青混凝土材料科学的发展，进一步揭示其粘弹性机理，为开发新型高性能沥青混合料提供理论指导，满足不断发展的交通需求对道路材料性能的要求。

1.2国内外研究现状

在国外，对沥青混凝土粘弹性模型的研究起步较早。早在20世纪中叶，随着材料科学和力学理论的发展，学者们开始关注沥青混凝土的粘弹性特性，并尝试建立相应的模型来描述其力学行为。1943年，Burgers提出了Burgers模型，该模型由一个Maxwell单元和一个Kelvin单元串联组成，能够较好地描述材料在长期荷载作用下的蠕变和应力松弛行为，在沥青混凝土粘弹性研究中得到了广泛应用。例如，在一些早期的道路工程研究中，通过Burgers模型对沥青路面在车辆荷载作用下的变形进行模拟分析，为道路设计提供了一定的理论依据。

20世纪70年代，随着计算机技术的兴起，数值模拟方法逐渐应用于沥青混凝土粘弹性研究领域。有限元方法的发展使得复杂的粘弹性模型能够在计算机上进行求解，为研究沥青混凝土在实际工程中的力学响应提供了有力工具。学者们开始利用有限元软件，结合各种粘弹性模型，对沥青路面结构在不同荷载和环境条件下的力学行为进行模拟分析，研究成果为道路结构设计和性能评估提供了重要参考。

进入21世纪，随着对沥青混凝土粘弹性机理研究的深入，一些新的粘弹性模型不断涌现。例如，基于微观力学理论的细观力学模型开始受到关注，这类模型从沥青混凝土的微观组成结构出发，考虑了沥青砂浆、粗集料和空隙等各相之间的相互作用，能够更准确地描述沥青混凝土的粘弹性性能。如Hashin复合球模型，将沥青混凝土视为由一系列尺度不等的球形粗集料镶嵌于沥青砂浆基体之中的三相复合材料，通过细观力学理论来预测其力学性能。但该模型存在前提假设条件，即所有集料半径与其沥青砂浆包裹层厚度成正比，无法考虑粗集料的尺度效应。随后有学者对其进行改进，假设沥青砂浆包裹层厚度相同，使其能更好地反映沥青混凝土内部的细观结构组成及粗集料尺寸效应及级配的影响。

在国内，沥青混凝土粘弹性模型的研究相对起步较晚，但近年来发展迅速。20世纪80年代以后，随着我国公路建设的快速发展，对沥青