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。     

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。     

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。     

冻融循环条件下自融雪沥青混合料的细观结构及高温稳定性

为了研究冻融循环前后自融雪沥青混合料的细观结构和高温稳定性,选择盐冻循环前后的普通沥青混合料做为参照,通过扫描电子显微镜(SEM)和单轴动态模量试验,对循环前后两种混合料的细观结构及高温稳定性进行了研究。研究结果表明:经历冻融循环后,自融雪沥青混合料细观结构的界面结构比盐冻后普通沥青混合料更加致密,说明其具有较好的稳定性;同时它具有较高的动态模量和车辙因子E*/sinδ,这表明自融雪沥青混合料应具有更优的弹性、抗车辙性能及高温稳定性。     

AC-13沥青混合料细观组分材料强度特性研究

为了研究AC—13沥青混合料细观力学性能参数的获取方法及骨料粒径对沥青混合料强度的影响,逐级去除上一级骨料,利用剩余各档集料质量比不变及集料总比表面积与沥青用量之比保持不变的原则设计各级沥青混合料试件。采用MTS对各级沥青混合料试件进行单轴抗压强度实验,揭示了骨料对沥青混合料强度的影响规律,并为细观状态下沥青混合料细观参数的获取提供了方法。     

沥青混合料粘弹体粘聚破坏行为的二维细观尺度模拟

沥青混合料的细观结构是复杂且高度不均匀混合物。这种不均匀性严重影响着沥青混合料整体的实体力学行为和开裂行为性能,而且细观结构模型的建立也极具挑战性。本研究将基于多重二维细观结构的有限元模型对沥青混合料粘弹体粘聚破坏响应进行预测。首先,为了模拟裂缝的产生和扩展,利用沥青混合料的扫描结构的图像,借助组成相的分割方法分离颗粒与胶浆,有效的生成多个二维的图像,并赋予混合料粘聚区域内的微观结构的材料属性,进而提出一种新的数值算法。建立模型时沥青胶结料具有粘弹特性和也是开裂区,集料被看作弹性体。其次,通过利用间断级配混合料的三点弯曲和密级配的半圆弯曲试验的结果与有限元模拟结果进行统计和对比分析,对提出的多重二维图像分析方法进行验证。结果表明,通过多重二维细观结构的模拟结果可以获取沥青混合料粘弹体的开裂行为,但是当粗骨料的含量越高和分布越复杂时预测能力将有所下降。当这些局限性得到进一步解决时,就可以仅仅通过获取扫描二维图像的细观结构就可以预估沥青混合料粘弹体的粘聚破坏行为,大幅度降低做实验消耗的成本。     

基于Mimics的沥青混合料三维重构技术研究

CT断层扫描图像的三维重构技术为沥青混合料的细观结构可视化研究提供了重要途径.为了对沥青混合料试件进行三维重构,该文采用64排螺旋CT机对SAC-16级配的马歇尔试件进行扫描,将得到的断层图片保存为Dicom格式导入Mimics软件中,实现了沥青混合料的三维可视化,通过-471 HU、1 700 HU两个CT阈值的控制对粗集料、沥青砂浆、空隙进行识别与分离,研究细观结构的分布规律及体积分数组成.与Matlab自编程序相比,基于Mimics的沥青混合料三维重构在操作难易程度、阈值控制、细观结构分离方面优势明显,便于实际工程应用.     

橡胶颗粒沥青混合料力学性能的细观研究

为了从细观角度研究橡胶颗粒沥青混合料的力学性能,该文通过单轴压缩试验测定了抗压强度和抗压回弹模量,利用离散元方法构建了3种典型橡胶颗粒沥青混合料的细观模型,提出了以平均不平衡力和平均接触力作为评价指标。研究结果表明:通过比较室内力学试验与细观数值模拟结果,从宏观和细观两个角度验证了适宜橡胶颗粒沥青混合料的结构为骨架密实型结构。     

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.     

纤维沥青混合料防治路面裂缝机理研究

通过对裂缝形成机理的分析,以复合材料细观力学为理论基础,认为在沥青中加入纤维的沥青混合料具有较高的强度和韧性,使用它可以防止裂缝的产生。