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.     

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。     

基于数字图像处理的沥青混合料主骨架评价标准

为了给骨架密实型沥青混合料级配设计与优化提供指导,使设计的沥青混合料具有良好的抗车辙性能,针对目前沥青混合料骨架结构判据的不足,在分析现有沥青混合料骨架结构评价指标的基础上,基于数字图像处理技术考虑粗集料接触特性对V_(mix)~VCA计算方法进行了优化。通过对4种不同级配沥青混合料中主骨架结构细观接触分布特性进行了比较,对细观定量评价指标与宏观评价指标间的相关关系进行了分析,提出了粗集料形成较优主骨架结构的细观定性和定量评价指标和标准。结果表明:考虑粗集料接触特性,优化的V_(mix)~VCA(I)计算方法所得值比目前经验计算法大15%~20%,在骨架判别时更加严格、合理,保证粗集料相互嵌挤形成最优主骨架;沥青混合料细观定量评价指标与其宏观评价指标有较好的相关关系,能够表征沥青混合料的抗车辙性能;骨架密实型沥青混合料设计过程中通过调整级配提高平均配位数的同时降低C值,能有效改善混合料的细观指标,使主骨架的质量得到明显提升,设计的沥青混合料具有良好的抗车辙性能;粗集料形成较优主骨架结构的定性和定量评价标准为V_(mix)~VCA(I)≤V_(DRC)~(VCA),n1.6且C20%。     

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。     

基于级配理论的沥青混合料骨架结构研究

沥青混合料由集料、沥青胶结料和空隙组成.沥青混合料体积90％由集料构成,集料所形成的结构主要取决于集料的粒径分布及其形状.该文提出了基于集料级配理论的沥青混合料骨架结构,并以此来表征沥青混合料的路用性能.研究提出了一个基于球体填充理论的计算方法.参数包括:一级结构下的空隙率、一级结构的破坏因子和沥青胶结料在骨架结构的分布情况,它们可用于评价骨架结构的承载能力.采用骨架结构模型对几种不同级配的沥青混合料高温抗车辙能力和水稳性进行了预测,预测结果和室内外试验结果具有很好的相关性,建立的骨架结构模型可很好地用于判别沥青混合料的抗车辙性能.     

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。     

沥青混合料自愈合性能与砂浆厚度分布特征关系

沥青混合料自愈合行为与沥青砂浆的细观分布特征关系密切，但目前相关判据不足。为此，采用数字图像处理技术定量表征沥青砂浆的细观结构，并分析其与混合料自愈合行为的关系。首先，优化沥青混合料砂浆厚度计算的方法，提出基于图像分析的砂浆平均厚度T_m和砂浆厚度分布标准偏差S_Dt指标；其次，对6种不同沥青混合料砂浆的二维图像进行统计分析，验证细观砂浆厚度参数的有效性；最后，通过有无间歇时间的半圆弯曲疲劳试验获取沥青混合料的自愈合指数H，并进行宏细观指标的相关性分析。结果表明：级配类型和最大公称粒径均对沥青砂浆的空间分布有重要影响；矿料间隙率（VMA）和沥青饱和度（VFA）与砂浆细观参数之间不存在明显相关关系，证实了宏观体积参数在表征沥青砂浆细观分布特征方面的不足；沥青混合料的自愈合指数同时受砂浆平均厚度和空间分布均匀性的影响；综合指标T_m/S_Dt与宏观愈合指数H之间有很好的相关性，可以有效表征沥青混合料的自愈合效率。     

基于间接拉伸模式的沥青混合料内部力链分布特征

为了表征沥青混合料在间接拉伸模式下的力链分布特征，成型3种骨架结构沥青混合料的马歇尔试件，以及旋转压实试件和相应3种类型的沥青砂浆静压试件。利用简单性能试验分别测试不同温度条件下沥青混合料和沥青砂浆的动态模量、相位角，在获取沥青混合料旋转压实试件和马歇尔试件截面图像的基础上，结合数字图像处理技术和MATLAB编程，借助离散元方法重构了3种类型沥青混合料的旋转压实和马歇尔数字试件。对旋转压实数字试件进行虚拟简单性能试验，运用反演算法计算数字试件的细观参数，校验细观模型的准确性和合理性。对马歇尔数字试件开展虚拟间接拉伸试验，提取颗粒间接触力力链信息，以力链概率分布和角度分布作为量化指标进行分布特征分析。研究结果表明：利用离散元方法重构的3种骨架结构沥青混合料黏弹性细观模型具有较高的预测精度，动态模量和相位角的实测与预测最大差异分别为9.64%、0.24°；间接拉伸荷载模式下，3种骨架结构沥青混合料的内部法向压力力链概率分布均随f(接触力与平均接触力的比值)的增大而衰减，强力链(f≥1)的概率分布较小，而弱力链(f＜1)的概率分布较大，随着温度的升高，力链的最大概率分布基本呈增大的趋势；不同温度的压力力链角度分布差异较大，呈沿0°-180°水平线和90°-270°垂直线的非对称分布，0°-180°水平线以上分布占主导，随着温度的升高，角度分布均向外延伸，但延伸幅度不大，最大仅为3.954%；不同截面的沥青混合料具有一致的法向力链概率分布和角度分布。研究结果为从细观角度认知沥青混合料的非均匀力学响应及荷载传递演化提供了理论依据。     

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。     

粗集料接触参数对沥青混合料损伤演化的影响

为了揭示沥青混合料内部细观损伤对宏观性能的影响，基于DIC方法与四点弯曲疲劳试验，对不同粗集料接触状态的混合料细观损伤尺度效应进行研究。首先以颗粒堆积理论与粒子干涉理论为基础，提出可表征细观主骨架结构状态的颗粒接触主力链配位参数（n_pfc）计算方法。采用SAC设计方法，通过控制关键筛孔2.36~4.75 mm的分计筛余质量百分比，设计4组可反映不同粒径尺寸集料组合形式的SAC16级配（B60S00~B60S15），计算不同级配沥青混合料对应的npfc。其次，结合DIC方法与四点弯曲疲劳试验，分析疲劳荷载作用下沥青混合料小梁试件水平应变场演化特征，并提出混合料疲劳损伤因子定量分析方法。最后对不同粗集料接触参数的沥青混合料的细观损伤演化特征、疲劳损伤因子D_FD及表征宏观抗疲劳性能的K_m进行分析。研究结果表明：随着疲劳荷载作用次数的增加，4种不同n_pfc混合料的水平应变量逐渐增大，各D_FD也均显著增加；随着n_pfc的增大，D_FD明显减小，当n_pfc=7.73~9.55时，D_FD较小，混合料的疲劳细观尺度损伤叠加效应较小；同时，随着n_pfc增加，K_m呈先增大后略微减小的趋势；当n_pfc=7.73~9.55时，对应的宏观抗疲劳性能较好；因此，选取合理的n_pfc可优化沥青混合料内部主骨架细观结构状态，减少细观尺度损伤叠加效应影响，提高沥青混合料的宏观抗疲劳性能。     

沥青混合料细观粘弹性参数获取方法及蠕变特性研究

针对细观状态下分析沥青混合料蠕变及粘弹性能时缺乏细观粘弹性参数的问题,给出了利用质量比与比表面积不变的原则,采用将沥青混合料的矿料及其粘附的沥青逐级去除成型等效沥青混合料试件的方法,并运用不同模型来得到粘弹性参数。把剩余材料设计成等效基体试件并与标准级配AC-13C混合料进行了不同温度、不同应力下的蠕变对比实验。用Burgers模型对实验数据进行了拟合,来获取沥青混合料细观粘弹特性参数并分析了其蠕变特性,结果表明随着材料最大公称粒径的逐渐减小各级等效基体所组成的沥青混合料蠕变变形呈逐步增加的趋势,且粘弹性方程中表征瞬时弹性的弹性参数呈逐步减小的趋势。油砂比越大,瞬时弹性及粘性参数越小。随着试验温度的升高,这类等效基体材料的4个粘弹性参数均有降低,砂浆材料变软,其模量呈现降低趋势。当其他条件保持不变时,仅考虑应力变化,蠕变柔量并不总是随应力增大而增大,蠕变柔量随应力变化而变化的规律不是很突出,这些特性与参数为进一步细观分析沥青混合材料提供了试验参数获取方法和理论依据。     

基于尺度方法的AC-13沥青混合料弹性力学特性研究

运用尺度方法预测随机复合材料沥青混合料弹性力学性能:弹性模量E及泊松比μ。通过CT扫描技术获取AC-13沥青混合料细观图像,统计不同粒径骨料随机分布特性。根据统计的随机骨料分布特性,在有限元软件内建立AC-13沥青混合料骨料特性的二维细观模型,选取70 mm×70 mm区域作为计算尺度。对集料及基体材料赋予参数,运用尺度算法程序计算沥青混合料模型;预测得出沥青混合料的弹性力学参数E、μ。     

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。     

沥青混合料裂纹发展过程的颗粒流模拟

为了在细观尺度下描述沥青混合料的裂纹发展行为,运用离散元程序PFC2D内置“Fish”语言,重构了沥青混合料非均质(集料、胶浆和空隙)多层次(矿料级配)结构虚拟试件,对虚拟试件微观组成成分之间的接触赋予了相应的微观接触模型,采用离散元方法实施了单边切口小梁虚拟3点弯曲试验,借助数字摄像法捕捉了室内小梁试件表面裂纹发展情况,在二维尺度下探索了沥青混合料的部分断裂机理.结果表明:虚拟试验得到的宏观断裂力学响应与室内试验结果的吻合度较好,仅采用试件单面图像信息构建模型进行力学性能预测缺乏可信度;虚拟试验模拟的二维裂纹扩展路径与室内数字摄影法结果较为相似,二者都体现出材料脆性断裂特点,二维模型往往夸大了粗集料在混合料断裂过程中的作用;基于离散元程序的裂纹扩展行为分析方法,可以作为研究沥青混凝土材料断裂行为的辅助手段.     

基于有限元的沥青混合料数值模拟研究

基于集料-沥青内聚力模型原理构建三种不同沥青混合料的内聚力模型,利用虚拟裂缝闭合技术赋予砂浆材料的扩展有限元属性,通过对模型施加一个位移荷载来分析不同级配界面和砂浆的抗裂性能分析。研究结果表明:不同级配的抗裂性受骨架结构、集料轮廓和形状指标的影响较大。当级配骨架结构不彻底,粗集料松散分布,存在较大砂浆区,往往会对界面造成严重损伤;当相同级配骨架时,粗集料指标对级配界面的抗裂性能成为主要因素;对比不同混合料级配下的SDEG曲和耗散能曲线可知,当分析能量等宏观指标对级配的性能参数影响作用时,由于未考虑到级配间细观参数的作用导致级配的抗裂性能并不明显,细观结构参数下级配砂浆和界面抗裂性能和变化规律均表现出较大的相异性。     

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。     

基于计算机扫描技术的沥青混合料集料质量均匀性评价

运用 CT（Computer Technology）获得沥青混合料的内部微观结构已成为现阶段研究热点之一,但是现阶段结合沥青混合料的 CT扫描断面图具有的特点进行数字图像系统处理的研究相对较少,而且将其用于区分内部材质的技术目前比较粗糙,无法有效将数字图像处理和混合料无损检测技术结合起来。基于混合高斯模型（GMM）E M算法的基础上,对沥青混合料的集料特性进行分割,进而对细观结构的质量均匀性分析进行判断,最后通过试验深层次探索内部体积组成结构情况。研究结果表明本文采用的混合高斯模型能较好的对 CT扫描断层图片进行处理,通过扇形扫描方法可对沥青混合料集料的分布情况进行判断,进而通过对集料颗粒的面积比进行统计分析,进而评价沥青混合料的集料分布均匀性,本文研究结果可为沥青混合料微观领域研究提供借鉴和参考意义。