材料特性及應用研究

戰佳升++劉新

摘要：隨著科學技術的發展，新型材料的功能越來越多，性能越來越復雜，應用領域也越來越廣泛，使得對材料特性的研究具有重要的科學意義和應用價值。目前，實驗和數值計算是研究材料特性的兩大重要手段。實驗是材料特性研究的基本手段，能獲取材料在不同工況下的力學響應。數值計算借助于計算機技術和數值方法，再現材料的力學行為，能獲得實驗中無法得到的物理量，并提供豐富的過程數據。在數值計算中，材料特性參數的獲取至關重要，其關系到數值計算結果的精度。傳統上獲取材料特性參數的主要途徑是基于大量的實驗數據，利用擬合等方法確定參數。然而由于實驗方法和測試技術的局限，要想獲取大量有效的實驗數據成本較高、周期較長。

關鍵詞：計算反求；參數識別；混合反演法；曲線預估同倫算法

當前我國高速公路建設呈跳躍式發展態勢。但由于技術儲備不足，加之車流量大，車輛超載嚴重等原因，導致在高速公路快速發展的同時，瀝青路面的早期損壞問題同樣十分突出。調查研究表明：產生瀝青路面早期損壞的原因十分復雜，除了環境和荷載因素外，還與路面結構形式、混合料組成設計、施工技術等許多方面有關。盡管近些年來在瀝青路面結構和混合料組成設計上進行了大量的研究，而且在室內試驗研究中取得了良好的綜合性能，但是許多實體工程路面早期損壞問題依然十分嚴重。特別是有些路面雖然直接采用了國外的先進設計理念，也沒有得到滿意的結果。愈來愈多的工程實踐表明：在高速公路建設中混合料的施工特性、設備應具備的性能、設備之問的匹配關系、設備與材料之間的相互作用特性等對保證和提高路面質量具有重要的作用。本文針對以上問題進行了系統的理論與工程應用研究。瀝青混合料因礦料級配不同構成了不同的組織結構，由混合料的結構狀況、體積性能和施工特性共同決定了其使用性能。高性能混合料不同于傳統混合料的級配與性能，其粗、細集料用量有嚴格的范圍，粗一級集料形成的空隙決定了細一級集料的用量，形成多級嵌擠密實結構，使混合料既具有高抗車轍能力又有抗水損壞的綜合性能。因此本文中首先分析研究了高性能混合料的級配特征、參數控制、體積特性和影響體積性能的因素、施工質量控制等方面的問題，提出了保證混合料優良性能的級配允許變化范圍和施工參數控制范圍。

機械設備應針對具體的作業對象選擇功能和確定參數，以適應千變萬化的路面結構、材料組成及環境要求，發揮其最佳的工作特性。因此本文分析了瀝青路面施工中的主要設備的結構原理、工作特性和影響設備性能的因素，提出了主要控制指標。深入研究了攪拌設備與材料相互作用特性，攤鋪設備與材料相互作用特性。建立了攪拌設備拌和均勻性的數學模型和采用自動調平系統攤鋪機的工作裝置運動學模型并進行了應用研究。瀝青路面施工是由一系列機械設備，通過各單機組合形成的一個有機整體，并相互協調進行規模化生產，實現最佳的工作質量和最優的工作效率。因此要求各機型之間有合理的匹配關系。本論文基于混合料壓實的共振理論，研究了碾壓過程中材料壓實度隨壓實次數變化的規律，得出了多功能攤鋪機振動夯實系統的壓實度隨攤鋪速度變化的數學模型，確定了攤鋪機合理的作業區段，建立了以保證作業質量為目標的主要設備、輔助設備與核心設備作業性能相適應的新型匹配關系。由于高性能瀝青混合料對施工變異性十分敏感，瀝青路面一旦發生變異將嚴重影響其耐久性和使用壽命。近年來雖然對施工過程中造成路面質量變異性的原因以及相應的處理措施進行了研究，但缺乏全面性、系統性，忽視了設備對施工變異性的影響。本文從材料特性、機械性能及其相互作用特性上研究了瀝青混合料設計、生產、運輸、攤鋪、碾壓全過程的材料離析、溫度離析和壓實離析現象與機理，提出了預防與控制的技術途徑和離析的判別標準體系。

以上研究成果已在多條高速公路實體工程中得到應用。本文將理論研究與工程實踐緊密結合，分別在“襄十”高速公路、“漢宜”高速公路和“老集”高速公路進行了試驗驗證及廣泛的推廣應用。結果表明：研究成果對預防與控制瀝青路面早期病害，提高施工質量，增加路面耐久性等方面效果十分顯著。

隨著科學技術的發展，新型材料的功能越來越多，性能越來越復雜，應用領域也越來越廣泛，使得對材料特性的研究具有重要的科學意義和應用價值。目前，實驗和數值計算是研究材料特性的兩大重要手段。實驗是材料特性研究的基本手段，能獲取材料在不同工況下的力學響應。數值計算借助于計算機技術和數值方法，再現材料的力學行為，能獲得實驗中無法得到的物理量，并提供豐富的過程數據。在數值計算中，材料特性參數的獲取至關重要，其關系到數值計算結果的精度。傳統上獲取材料特性參數的主要途徑是基于大量的實驗數據.利用擬合等方法確定參數。然而由于實驗方法和測試技術的局限，要想獲取大量有效的實驗數據成本較高、周期較長。因此，基于少量試驗進行材料參數識別的計算反求方法正日益成為材料特性參數獲取的一種重要手段。

在反求過程中，直接采用試驗測量的反射波和透射波響應作為參數反求的輸入信息，能有效避免應變率效應和應力波效應解耦問題，不必分離結構響應和材料響應。首先，對低強度的水泥砂漿材料動態特性參數進行反求，驗證了混合反演方法的有效性和可靠性；其次，利用混合反演方法對不同基體強度、粗骨料粒徑及含量的混凝土材料關鍵特性參數進行反求。反求結果表明，混合反演方法能夠利用少量試驗數據快速穩定地獲取材料關鍵特性參數，且具有較高的計算精度。（5）建立了混凝土材料特性參數與混凝土基體強度、粗骨料粒徑及含量的神經網絡模型，并對某混凝土材料的特性參數進行預測，同時結合侵徹模型對預測結果進行驗證。為了進一步評價預測結果的精度，發展了一種基于侵徹試驗和混合反演法的混凝土材料特性參數反求技術。在反求過程中，利用基于局部加密的近似模型替代真實模型，以提高計算反求的效率。此外，基于侵徹模型，研究了不同基體強度、粗骨料粒徑及含量混凝土材料的抗侵徹能力。