沥青混合料劈裂试验的细观模型验证与分析

沥青混合料为典型夹杂体材料,其宏观材料设计方法较大程度上忽视了混合料细观不均匀性的影响。因此,该文通过沥青混合料劈裂试验的细观模拟分析,从而获得其细观分布规律。首先,基于数字图像处理技术,实现劈裂试验剖面图的二值化并建立细观有限元模型,然后通过材料试验获得断裂参数;其次,通过室内沥青混合料劈裂试验的数字散斑测量,完成细观劈裂试验的模型验证;最后,基于劈裂模型的有限元模拟,分析细观尺度下力学响应的分布规律。结果表明:水平拉应变集中出现在沥青砂浆相且沿界面传递,砂浆与界面区为抗拉薄弱区。     

基于离散元方法的沥青混合料三轴剪切试验模拟研究

为了从沥青混合不连续特征的角度更好地评价和预估其抗车辙能力,采用离散元方法建立沥青混合料细观结构模型,并进行沥青混合料三维离散元虚拟三轴剪切试验。将模拟结果与宏观试验结果进行比较,分析模型参数与试验参数之间的关系。最后将二维虚拟试验结果和三维虚拟试验结果进行对比。结果表明:三维离散元模拟结果与试验室试验结果具有较好的相关性,且规律一致,验证了模型的正确性,可基于此模型建立评价和预估沥青混合料抗车辙能力的虚拟试验方法;三维离散元模型由于更多地考虑了材料的嵌挤作用,比二维离散元模型精度更高。     

基于颗粒流程序的沥青混合料单边切口梁试验模拟分析

为了从细观角度深入分析沥青混合料断裂机理，运用离散元方法实现了沥青混合料小梁试件的虚拟断裂试验。借助数字图像技术获取了1．18mm粒径以上的沥青混合料细观结构，基于颗粒流程序构建了包含集料、沥青砂浆、空隙在内的离散元模型，通过虚拟试验，对小梁的断裂过程进行了分析。研究结果表明：虚拟试验与室内试验的结果曲线相似度较高，模型中应力分布范围和趋势与室内试验的常规认识相符，第一条裂纹出现在集料与砂浆界面，低温条件下集料会被裂纹贯穿，一定程度上也阻碍了裂纹的继续发展。     

沥青混合料断裂数值模拟进展

以沥青混合料为建筑材料的沥青路面是我国高等级公路的主要铺面形式,裂缝是造成沥青路面破坏的主要原因之一。研究沥青混合料的开裂机理有助于优化沥青混合料的设计,提高其抗裂性能。数值模拟是研究沥青混合料断裂的有效手段。但是,由于沥青混合料组成材料的多相性和细观结构的不均匀性,沥青混合料的断裂模式非常复杂。尽管目前断裂力学理论和数值模拟手段取得了很大进步,沥青混合料的断裂模拟问题还处于探索阶段。本研究总结了基于经典断裂力学理论的有限元方法、内聚力模型的有限元方法、细观结构模型的有限元方法和细观结构模型的离散元方法在沥青混合料断裂模拟中的应用和取得的成果。在分析各种数值模拟方法优劣的基础上,展望了今后的研究重点。在有限元方面,建议进一步研究基于沥青混合料三维细观结构的有限元方法,重点解决三维细观结构构建、计算收敛性和单元畸变问题。在离散元方面,建议进一步研究基于沥青混合料三维细观结构的离散元方法,重点解决计算效率和细观断裂本构模型问题。     

间接拉伸虚拟试验模式下沥青混合料的应力分布

为了更准确地评价间接拉伸模式下沥青混合料的二维应力分布状态,利用X-ray CT扫描沥青混合料试件,获取混合料内部真实三维细观结构(集料、砂胶和空隙),根据三维重构理论和重构算法,建立沥青混合料三维虚拟试样.在此基础上,对沥青混合料虚拟试样进行低温、快速加载条件下的间接拉伸虚拟试验仿真.结果表明:不同于以往基于弹性理论解的二维应力均匀分布结论,混合料试件水平轴向和竖直轴向上的应力都不再均匀对称分布,最大应力也不再出现在试件中心处.间接拉伸虚拟试验方法克服了以往忽略混合料内部细观结构的缺陷,可以更为真实地模拟试件受荷作用下的力学状态.研究方法是对计算机数字化设计沥青混合料目标的有益探索.     

细观尺度下基于非均匀性研究沥青混合料的开裂行为

为了从细观角度,基于沥青混合料的非均匀性研究材料的开裂行为,该文运用颗粒流软件PFC2 D(Particle Flow Code),根据离散元基本理论及软件内置Fish语言编写了不规则骨料的随机生成程序,建立基于半圆弯曲室内试验处理的边界条件和伺服控制,并将模拟结果与试验结果对比分析。研究结果表明:所得到的离散元虚拟试件能够最大程度地将集料级配、骨料不规则形状、骨料随机分布和试件空隙率考虑在内,提出一种可以脱离于室内试验条件、仅用计算机软件就能够建立较准确、广泛的映射沥青混合料的PFC模型的模拟方法,为今后在细观尺度下利用PFC研究分析沥青混合料力学性质提供理论基础和辅助手段。在此基础上,从细观尺度出发,对建模要素以及骨料位置进行调整,用以分析其对混合料试件宏观力学性质的影响,为后续工作中结合室内试验继续对这些影响因素进行分析提供了一定的理论基础。     

基于弹性原理的沥青混合料细观模型数值模拟

由于传统基于连续介质的沥青路面力学分析未考虑沥青混合料细观结构对其宏观性能的影响,该文基于数字图像识别技术,建立沥青混合料细观尺度下的二维有限元模型,赋予两组分弹性参数,进行数值模拟分析;最终获得了AC-25、AC-30、ATB-25共3种级配沥青混合料的应力、应变场.模拟结果表明:良好的细观结构能形成更均匀的应力、应变场,传统沥青混合料设计法忽视了细观结构对宏观性能的影响,导致沥青混合料材料设计性能与实际性能之间存在着差异.     

基于细观结构特征的沥青混合料性能数字孪生模型研究综述

针对现有宏观均质模型无法反映多尺度、多相和多组分对沥青混合料细观非均质影响的局限性,从沥青混合料细观结构特征方面构建沥青混合料性能数字孪生模型以实现对路面性能的精准分析、调控和优化是交通基础设施数字化转型的重要途径。基于此,在沥青混合料性能数字孪生技术体系框架的基础上对基于细观结构特征的沥青混合料性能数字孪生模型进行了综述,介绍了沥青混合料细观结构数字提取和数字孪生模型构建方法,总结了一套基于图像技术和人工随机生成方法的沥青混合料细观结构数字表征方法,讨论了沥青混合料细观结构组成的评价方法,总结了沥青混合料数字孪生模型中细观结构特征参数,进而详细描述了基于细观结构特征的沥青混合料性能数字孪生模型在宏-细观性能关联中的应用,最后对沥青混合料性能数字孪生技术发展趋势、模型构建、参数表征和性能评价方面进行了展望。相关工作可为基于细观结构特征的沥青混合料性能数字孪生技术体系、技术平台的构建及应用提供有价值的参考和见解。     

采用数字图像处理技术和内聚力模型模拟沥青混合料裂缝扩展

裂缝是沥青混凝土路面的主要病害之一。通常,对沥青混合料的裂缝研究没有考虑沥青混合料细观结构的各向异性,对于裂缝尖端的塑性特征也研究不足。采用数字图像处理技术,实现沥青混合料细观结构的有限元二维建模,采用内聚力模型对单调加载情况下半圆弯拉试验裂缝的动态扩展进行数值模拟,此研究可以进一步发展到疲劳特性研究。     

沥青混合料动态模量数值预测方法

为了更好地预测沥青混合料的动态模量,利用工业CT采集数字图像,并与数值模拟技术相结合,从三维细观尺度研究了混合料结构对其性能的影响。首先采用工业CT扫描沥青混合料试件,获取其内部的真实三维细观结构,再开发程序建立沥青混合料的三维数值试样。将沥青混合料中的集料设为弹性体,将沥青砂胶设为粘弹性体,并采用修正的广义Maxwell模型表征,拟合出Prony级数的剪切松弛模量参数,作为有限元的输入参数。最后进行不同温度和频率下的沥青混合料间接拉伸动态模量数值模拟。结果表明:预测值和实测值吻合良好,基于三维细观尺度预测沥青混合料动态模量切实可行;该方法克服了传统沥青混合料数值模拟方法的局限性。     

基于离散单元法的沥青混合料研究初探

针对构成沥青混合料骨架的集料内部复杂的微观作用机制,在随机集成2种粒径集料混合体基础上,利用离散单元法DEM进行微观模拟。据此原理,在VC 平台上开发出相应的计算程序,并将该程序用于模拟重力场内集料的微观相互作用。结果表明,该方法为实现级配可视化设计、分析骨架强度形成机理及混合料变形与破坏机制奠定基础。     

沥青混合料集料颗粒间摩擦性能的直剪试验评价

鉴于集料颗粒间的摩阻性能直接影响沥青混合料的抗剪强度,运用相似实验原理系统分析了用直剪试验方法和设备评价集料颗粒间摩擦性能的可行性.并对符合沥青混合料AC - 13、SMA - 13级配的集料和钢球进行了直剪试验评价,解决了梁料剪切试验问题.     

碎石化混凝土路面沥青加铺层结构的数值分析

将沥青加铺层及碎石化混凝土视为连续及非连续颗粒介质,分别采用有限差分法与颗粒离散单元法模拟沥青加铺层及碎石结构层的力学行为,并采用耦合的方式,分析碎石化结构层与沥青加铺层对外荷载作用的联合力学响应.在满足边界相容条件与平衡条件的前提下,通过交界面上作用力与节点位移(速度)的传递,模拟了系统的荷载响应过程,并通过某工程实例对计算值和实测值进行了比较.结果表明:采用耦合原理计算的路表弯沉最大值与FWD实测结果较为接近,且两者沿径向分布规律相一致.     

基于精细化DEM建模的冷再生混合料断裂性能分析

冷再生沥青混合料包含水泥、乳化沥青、旧料等成分，具有材料组成复杂、界面结构多变的特点，其对冷再生混合料的抗裂性能具有显着影响。以冷再生沥青混合料的断裂性能为研究对象，提出一种精细化的数值建模方法，该方法包括细观结构特征精细重构和力学参数精确获取。采用彩色乳化沥青区分材料内部真实组成结构，并经过图像处理和MATLAB程序处理导入离散元（DEM）数值仿真软件中，进行冷再生混合料结构精细化重构；结合SEM原位力学测试方法获取考虑试件尺寸和加载速率影响的沥青砂浆精确力学参数，建立精细化的离散元数值仿真模型；基于精细化建模开展冷再生沥青混合料断裂性能和关键失效机理分析，并通过室内试验进行验证。数值仿真和室内试验结果表明：基于细观结构精细化重构和材料参数精确获取的离散元建模方法可以有效模拟分析冷再生沥青混合料的断裂性能；冷再生混合料的整体断裂特性属于脆性断裂，抗拉强度低的冷再生沥青砂浆是混合料内部的薄弱区域，混合料内部主要断裂界面为冷再生沥青砂浆-骨料界面。提高沥青砂浆黏聚强度和材料内部界面强度可以显著改善冷再生沥青混合料的抗裂性能。     

基于界面剪切试验的沥青混合料集料切向弹性刚度研究

目前仍缺乏沥青混合料颗粒接触界面参数的有效获取方法，导致基于离散元法的沥青混合料数值分析手段无法精确模拟材料的力学行为。针对"切向弹性刚度"参数无法准确获取的难题，基于自主开发的"沥青混合料颗粒剪切分析系统"开展沥青混合料的颗粒界面剪切试验研究，确定合理试验参数。在此基础上开展3种级配和3种集料的沥青混合料单轴贯入试验，分析不同试验方法得到的剪切模量相关性。试验结果表明：在60℃试验温度和0.02 mm·s^-1剪切速度条件下可获得较为稳定的试验结果；剪切应力曲线表现出典型的"预剪切阶段"、"剪切稳定阶段"和"剪切破坏阶段"三段式增长；级配对界面剪切力有显著影响，AC-13、SMA-13和OGFC-13混合料的峰值均值分别约为100，50，90 N；同一级配下，采用玻璃珠和铁珠的混合料的界面剪切力分别为75，70 N；集料的材料类型是影响界面切向弹性刚度的关键因素，采用玻璃珠和铁珠的界面切向弹性刚度分别是0.17×10⁶ N·m^-1和0.22×10⁶ N·m^-1，而花岗岩集料则达到0.66×10⁶ N·m^-1以上；贯入试验结果表明级配和集料类型决定了混合料的剪切模量大小，采用花岗岩集料的AC-13型混合料的剪切模量达到18.88 MPa，OGFC-13混合料最小，仅为8.95 MPa；界面剪切试验得到的剪切模量与贯入试验结果的相关系数达0.89。所提出的集料接触界面剪切试验可分辨级配和集料类型对切向弹性刚度的影响。     

重载交通沥青混合料的压实特性探讨

用旋转压实剪切实验机（GTM）设计方法设计的沥青混合料和粗密级配沥青混合料与一般沥青混合料相比，其压实要求高，压实难度大，压实是成功铺筑重载交通沥青混合料的关键因素，从适合的压实限制、压实空间（层厚与集料粒径大小关系）、压实温度和压实作用等几个方面探讨了以防止车辙为主的重载交通沥青混合料的压实特性。     

基于材料基因组方法的沥青混合料基因特性综述及展望

基于数据驱动的材料基因组方法是未来材料研发的趋势，尤其对于具有复杂材料组成、显著结构随机性和材料分布不均匀性的沥青混合料具有重要的指导意义。为推动沥青混合料基因组方法的应用，综述了影响沥青混合料性能的材料基因组体系及与使用性能的关联。首先，总结了目前材料基因组方法在材料工程领域的应用；然后，介绍了沥青混合料基本材料特征基因，主要包括沥青组分、沥青微观结构、集料矿物组成和集料形貌特征，并分析主要特征基因与材料性能之间的联系；进而，介绍了沥青混合料细观结构特征基因，包括空隙分布、集料分布和集料接触关系，总结了细观尺度上的研究方法及特征基因与沥青混合料性能的联系；最后，展望表征沥青混合料性能的代表性材料基因组体系、基因组数据库、共享平台及数据挖掘方法。     

沥青混合料动态模量Hirsch预测模型的验证研究

动态模量可以描述沥青混合料对温度和荷载频率的敏感性,从而可以客观地反映沥青混合料在路面结构中的行为特性。本文对SMA 13、Superpave 20、Superpave 25和ATB 25等4种沥青混合料分别进行了不同温度和荷载频率下的动态模量试验,并利用DSR对混合料中所用的两种沥青胶结料(普通70号沥青和SBS改性沥青)进行对应温度和荷载频率下的动态剪切模量试验,利用试验结果对动态模量Hirsch预测模型进行了验证研究。研究结果表明利用Hirsch模型预测动态模量的精度较好,只是在高温和低荷载频率时预测偏差较大。     

高强冷铺沥青混合料室内试验对比研究

选取4种适用于不同工况的路面磨耗层混合料,通过室内试验对比分析了4种混合料抗压强度、抗永久变形、抗水损坏、抗疲劳破坏等工程特性;通过不同养生温度下的混合料试件劈裂强度、拉伸强度及动稳定度等指标,模拟了不同施工温度条件对环氧乳化沥青混合料路用性能的影响。试验结果表明：环氧乳化沥青混合料相比普通（改性）沥青混合料具备更好的工程性能和低温施工特性。     

沥青混合料疲劳性能试验与表征方法综述

针对沥青混合料疲劳耐久性设计参数的不确定性与不科学性问题，从疲劳试验方法及疲劳性能表征模型两方面对沥青混合料疲劳性能表征的发展现状、存在的问题进行了综述，并总结了其未来发展方向。沥青混合料疲劳性能主要通过室内外不同疲劳试验进行研究，不同试验方法所用沥青混合料试件的尺寸、形状，试件内部所处应力状态及试验条件皆各不相同，而沥青混合料是一种由沥青结合料与不同粒径矿料通过搅拌和碾压而成的多相、多组分、多尺度黏弹性混合料，其力学响应具有显著的时间、温度与应力状态相关性，不同试验方法所对应的加载速度、试验温度及应力状态存在较大的差异性，故其试验结果呈现出显著的不确定性，其疲劳性能表征模型参数也存在显著的差异性；此外，常用的室内材料疲劳试验方法大多为一维或二维应力状态下的疲劳试验，这与沥青路面结构实际服役过程中所处的三维应力状态不符；沥青混合料疲劳性能表征方程大多来源于一维应力状态下的疲劳试验结果，因此，用简单应力状态下的材料疲劳试验方法与性能表征模型难以客观表征三维应力状态下沥青路面结构的疲劳抗力，从而导致沥青路面疲劳耐久性设计存在较大的偏差。建议开发与沥青路面服役状态一致的三维应力状态下的疲劳试验方法，并建立三维应力状态下疲劳表征模型，以消除不同试验方法及试验条件对沥青混合料疲劳性能表征的影响，提高沥青混合料疲劳性能表征的有效性与完备性。