材料特性及應(yīng)用研究

文/戰(zhàn)佳升 劉 新

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材料特性及應(yīng)用研究

文/戰(zhàn)佳升 劉 新

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,新型材料的功能越來越多,性能越來越復(fù)雜,應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛,使得對材料特性的研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。目前,實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算是研究材料特性的兩大重要手段。實(shí)驗(yàn)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(xué)響應(yīng)。數(shù)值計(jì)算借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法,再現(xiàn)材料的力學(xué)行為,能獲得實(shí)驗(yàn)中無法得到的物理量,并提供豐富的過程數(shù)據(jù)。在數(shù)值計(jì)算中,材料特性參數(shù)的獲取至關(guān)重要,其關(guān)系到數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度。傳統(tǒng)上獲取材料特性參數(shù)的主要途徑是基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用擬合等方法確定參數(shù)。然而由于實(shí)驗(yàn)方法和測試技術(shù)的局限,要想獲取大量有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成本較高、周期較長。

關(guān)鍵詞：計(jì)算反求；參數(shù)識別；混合反演法；曲線預(yù)估同倫算法

當(dāng)前我國高速公路建設(shè)呈跳躍式發(fā)展態(tài)勢。但由于技術(shù)儲備不足,加之車流量大,車輛超載嚴(yán)重等原因,導(dǎo)致在高速公路快速發(fā)展的同時(shí),瀝青路面的早期損壞問題同樣十分突出。調(diào)查研究表明:產(chǎn)生瀝青路面早期損壞的原因十分復(fù)雜,除了環(huán)境和荷載因素外,還與路面結(jié)構(gòu)形式、混合料組成設(shè)計(jì)、施工技術(shù)等許多方面有關(guān)。盡管近些年來在瀝青路面結(jié)構(gòu)和混合料組成設(shè)計(jì)上進(jìn)行了大量的研究,而且在室內(nèi)試驗(yàn)研究中取得了良好的綜合性能,但是許多實(shí)體工程路面早期損壞問題依然十分嚴(yán)重。特別是有些路面雖然直接采用了國外的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念,也沒有得到滿意的結(jié)果。愈來愈多的工程實(shí)踐表明:在高速公路建設(shè)中混合料的施工特性、設(shè)備應(yīng)具備的性能、設(shè)備之間的匹配關(guān)系、設(shè)備與材料之間的相互作用特性等對保證和提高路面質(zhì)量具有重要的作用。本文針對以上問題進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與工程應(yīng)用研究。瀝青混合料因礦料級配不同構(gòu)成了不同的組織結(jié)構(gòu),由混合料的結(jié)構(gòu)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(tǒng)混合料的級配與性能,其粗、細(xì)集料用量有嚴(yán)格的范圍,粗一級集料形成的空隙決定了細(xì)一級集料的用量,形成多級嵌擠密實(shí)結(jié)構(gòu),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(shù)控制、體積特性和影響體積性能的因素、施工質(zhì)量控制等方面的問題,提出了保證混合料優(yōu)良性能的級配允許變化范圍和施工參數(shù)控制范圍。

機(jī)械設(shè)備應(yīng)針對具體的作業(yè)對象選擇功能和確定參數(shù),以適應(yīng)千變?nèi)f化的路面結(jié)構(gòu)、材料組成及環(huán)境要求,發(fā)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(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、工作特性和影響設(shè)備性能的因素,提出了主要控制指標(biāo)。深入研究了攪拌設(shè)備與材料相互作用特性,攤鋪設(shè)備與材料相互作用特性。建立了攪拌設(shè)備拌和均勻性的數(shù)學(xué)模型和采用自動調(diào)平系統(tǒng)攤鋪機(jī)的工作裝置運(yùn)動學(xué)模型并進(jìn)行了應(yīng)用研究。瀝青路面施工是由一系列機(jī)械設(shè)備,通過各單機(jī)組合形成的一個(gè)有機(jī)整體,并相互協(xié)調(diào)進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)最佳的工作質(zhì)量和最優(yōu)的工作效率。因此要求各機(jī)型之間有合理的匹配關(guān)系。本論文基于混合料壓實(shí)的共振理論,研究了碾壓過程中材料壓實(shí)度隨壓實(shí)次數(shù)變化的規(guī)律,得出了多功能攤鋪機(jī)振動夯實(shí)系統(tǒng)的壓實(shí)度隨攤鋪速度變化的數(shù)學(xué)模型,確定了攤鋪機(jī)合理的作業(yè)區(qū)段,建立了以保證作業(yè)質(zhì)量為目標(biāo)的主要設(shè)備、輔助設(shè)備與核心設(shè)備作業(yè)性能相適應(yīng)的新型匹配關(guān)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(fā)生變異將嚴(yán)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(zhì)量變異性的原因以及相應(yīng)的處理措施進(jìn)行了研究,但缺乏全面性、系統(tǒng)性,忽視了設(shè)備對施工變異性的影響。本文從材料特性、機(jī)械性能及其相互作用特性上研究了瀝青混合料設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓全過程的材料離析、溫度離析和壓實(shí)離析現(xiàn)象與機(jī)理,提出了預(yù)防與控制的技術(shù)途徑和離析的判別標(biāo)準(zhǔn)體系。

以上研究成果已在多條高速公路實(shí)體工程中得到應(yīng)用。本文將理論研究與工程實(shí)踐緊密結(jié)合,分別在“襄十”高速公路、“漢宜”高速公路和“老集”高速公路進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證及廣泛的推廣應(yīng)用。結(jié)果表明:研究成果對預(yù)防與控制瀝青路面早期病害,提高施工質(zhì)量,增加路面耐久性等方面效果十分顯著。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,新型材料的功能越來越多,性能越來越復(fù)雜,應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛,使得對材料特性的研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。目前,實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算是研究材料特性的兩大重要手段。實(shí)驗(yàn)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(xué)響應(yīng)。數(shù)值計(jì)算借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法,再現(xiàn)材料的力學(xué)行為,能獲得實(shí)驗(yàn)中無法得到的物理量,并提供豐富的過程數(shù)據(jù)。在數(shù)值計(jì)算中,材料特性參數(shù)的獲取至關(guān)重要,其關(guān)系到數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度。傳統(tǒng)上獲取材料特性參數(shù)的主要途徑是基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用擬合等方法確定參數(shù)。然而由于實(shí)驗(yàn)方法和測試技術(shù)的局限,要想獲取大量有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成本較高、周期較長。因此,基于少量試驗(yàn)進(jìn)行材料參數(shù)識別的計(jì)算反求方法正日益成為材料特性參數(shù)獲取的一種重要手段。

在反求過程中,直接采用試驗(yàn)測量的反射波和透射波響應(yīng)作為參數(shù)反求的輸入信息,能有效避免應(yīng)變率效應(yīng)和應(yīng)力波效應(yīng)解耦問題,不必分離結(jié)構(gòu)響應(yīng)和材料響應(yīng)。首先,對低強(qiáng)度的水泥砂漿材料動態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行反求,驗(yàn)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(qiáng)度、粗骨料粒徑及含量的混凝土材料關(guān)鍵特性參數(shù)進(jìn)行反求。反求結(jié)果表明,混合反演方法能夠利用少量試驗(yàn)數(shù)據(jù)快速穩(wěn)定地獲取材料關(guān)鍵特性參數(shù),且具有較高的計(jì)算精度。(5)建立了混凝土材料特性參數(shù)與混凝土基體強(qiáng)度、粗骨料粒徑及含量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并對某混凝土材料的特性參數(shù)進(jìn)行預(yù)測,同時(shí)結(jié)合侵徹模型對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。為了進(jìn)一步評價(jià)預(yù)測結(jié)果的精度,發(fā)展了一種基于侵徹試驗(yàn)和混合反演法的混凝土材料特性參數(shù)反求技術(shù)。在反求過程中,利用基于局部加密的近似模型替代真實(shí)模型,以提高計(jì)算反求的效率。此外,基于侵徹模型,研究了不同基體強(qiáng)度、粗骨料粒徑及含量混凝土材料的抗侵徹能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉洪海. 高性能瀝青混合料材料特性與施工技術(shù)研究[J].科技信息, 2011,(19).

[2]陳睿, 材料特性參量識別的混合反演方法及應(yīng)用研究[J].電焊機(jī), 2010,(10).

（作者單位：齊齊哈爾工程學(xué)院）