材料特性及应用研究

文/战佳升 刘 新



材料特性及应用研究

文/战佳升 刘 新

摘 要：随着科学技术的发展,新型材料的功能越来越多,性能越来越复杂,应用领域也越来越广泛,使得对材料特性的研究具有重要的科学意义和应用价值。目前,实验和数值计算是研究材料特性的两大重要手段。实验是材料特性研究的基本手段,能获取材料在不同工况下的力学响应。数值计算借助于计算机技术和数值方法,再现材料的力学行为,能获得实验中无法得到的物理量,并提供丰富的过程数据。在数值计算中,材料特性参数的获取至关重要,其关系到数值计算结果的精度。传统上获取材料特性参数的主要途径是基于大量的实验数据,利用拟合等方法确定参数。然而由于实验方法和测试技术的局限,要想获取大量有效的实验数据成本较高、周期较长。

关键词：计算反求；参数识别；混合反演法；曲线预估同伦算法

当前我国高速公路建设呈跳跃式发展态势。但由于技术储备不足,加之车流量大,车辆超载严重等原因,导致在高速公路快速发展的同时,沥青路面的早期损坏问题同样十分突出。调查研究表明:产生沥青路面早期损坏的原因十分复杂,除了环境和荷载因素外,还与路面结构形式、混合料组成设计、施工技术等许多方面有关。尽管近些年来在沥青路面结构和混合料组成设计上进行了大量的研究,而且在室内试验研究中取得了良好的综合性能,但是许多实体工程路面早期损坏问题依然十分严重。特别是有些路面虽然直接采用了国外的先进设计理念,也没有得到满意的结果。愈来愈多的工程实践表明:在高速公路建设中混合料的施工特性、设备应具备的性能、设备之间的匹配关系、设备与材料之间的相互作用特性等对保证和提高路面质量具有重要的作用。本文针对以上问题进行了系统的理论与工程应用研究。沥青混合料因矿料级配不同构成了不同的组织结构,由混合料的结构状况、体积性能和施工特性共同决定了其使用性能。高性能混合料不同于传统混合料的级配与性能,其粗、细集料用量有严格的范围,粗一级集料形成的空隙决定了细一级集料的用量,形成多级嵌挤密实结构,使混合料既具有高抗车辙能力又有抗水损坏的综合性能。因此本文中首先分析研究了高性能混合料的级配特征、参数控制、体积特性和影响体积性能的因素、施工质量控制等方面的问题,提出了保证混合料优良性能的级配允许变化范围和施工参数控制范围。

机械设备应针对具体的作业对象选择功能和确定参数,以适应千变万化的路面结构、材料组成及环境要求,发挥其最佳的工作特性。因此本文分析了沥青路面施工中的主要设备的结构原理、工作特性和影响设备性能的因素,提出了主要控制指标。深入研究了搅拌设备与材料相互作用特性,摊铺设备与材料相互作用特性。建立了搅拌设备拌和均匀性的数学模型和采用自动调平系统摊铺机的工作装置运动学模型并进行了应用研究。沥青路面施工是由一系列机械设备,通过各单机组合形成的一个有机整体,并相互协调进行规模化生产,实现最佳的工作质量和最优的工作效率。因此要求各机型之间有合理的匹配关系。本论文基于混合料压实的共振理论,研究了碾压过程中材料压实度随压实次数变化的规律,得出了多功能摊铺机振动夯实系统的压实度随摊铺速度变化的数学模型,确定了摊铺机合理的作业区段,建立了以保证作业质量为目标的主要设备、辅助设备与核心设备作业性能相适应的新型匹配关系。由于高性能沥青混合料对施工变异性十分敏感,沥青路面一旦发生变异将严重影响其耐久性和使用寿命。近年来虽然对施工过程中造成路面质量变异性的原因以及相应的处理措施进行了研究,但缺乏全面性、系统性,忽视了设备对施工变异性的影响。本文从材料特性、机械性能及其相互作用特性上研究了沥青混合料设计、生产、运输、摊铺、碾压全过程的材料离析、温度离析和压实离析现象与机理,提出了预防与控制的技术途径和离析的判别标准体系。

以上研究成果已在多条高速公路实体工程中得到应用。本文将理论研究与工程实践紧密结合,分别在“襄十”高速公路、“汉宜”高速公路和“老集”高速公路进行了试验验证及广泛的推广应用。结果表明:研究成果对预防与控制沥青路面早期病害,提高施工质量,增加路面耐久性等方面效果十分显著。

随着科学技术的发展,新型材料的功能越来越多,性能越来越复杂,应用领域也越来越广泛,使得对材料特性的研究具有重要的科学意义和应用价值。目前,实验和数值计算是研究材料特性的两大重要手段。实验是材料特性研究的基本手段,能获取材料在不同工况下的力学响应。数值计算借助于计算机技术和数值方法,再现材料的力学行为,能获得实验中无法得到的物理量,并提供丰富的过程数据。在数值计算中,材料特性参数的获取至关重要,其关系到数值计算结果的精度。传统上获取材料特性参数的主要途径是基于大量的实验数据,利用拟合等方法确定参数。然而由于实验方法和测试技术的局限,要想获取大量有效的实验数据成本较高、周期较长。因此,基于少量试验进行材料参数识别的计算反求方法正日益成为材料特性参数获取的一种重要手段。

在反求过程中,直接采用试验测量的反射波和透射波响应作为参数反求的输入信息,能有效避免应变率效应和应力波效应解耦问题,不必分离结构响应和材料响应。首先,对低强度的水泥砂浆材料动态特性参数进行反求,验证了混合反演方法的有效性和可靠性；其次,利用混合反演方法对不同基体强度、粗骨料粒径及含量的混凝土材料关键特性参数进行反求。反求结果表明,混合反演方法能够利用少量试验数据快速稳定地获取材料关键特性参数,且具有较高的计算精度。(5)建立了混凝土材料特性参数与混凝土基体强度、粗骨料粒径及含量的神经网络模型,并对某混凝土材料的特性参数进行预测,同时结合侵彻模型对预测结果进行验证。为了进一步评价预测结果的精度,发展了一种基于侵彻试验和混合反演法的混凝土材料特性参数反求技术。在反求过程中,利用基于局部加密的近似模型替代真实模型,以提高计算反求的效率。此外,基于侵彻模型,研究了不同基体强度、粗骨料粒径及含量混凝土材料的抗侵彻能力。

参考文献：

[1]刘洪海. 高性能沥青混合料材料特性与施工技术研究[J].科技信息, 2011,(19).

[2]陈睿, 材料特性参量识别的混合反演方法及应用研究[J].电焊机, 2010,(10).

（作者单位：齐齐哈尔工程学院）