沥青混合料劈裂试验数值模拟

应用有限元软件ABAQUS,采用合适的材料模型建立有限元模型,模型网格按不同密度进行划分,对沥青混合料劈裂试验进行二维与三维数值模拟对比研究。通过研究,对劈裂试验中沥青混合料试件内的应力、应变分布及变形特性和变化规律有了深入的认识,并据此得出沥青混合料的强度参数。结果表明,有限元模拟中,网格划分密度、划分形式对模拟结果有较大影响;对于不同的沥青混合料,其劈裂试验模拟应以相应材料的单轴抗压试验结果为材料特性进行定义;经三维模拟及理论对比验证,简化二维模型在一定条件下是可行的。对沥青混合料性能试验进行数值模拟研究,是一种形象直观、快速高效的研究手段,对沥青混合料研究水平的提高有一定意义。     

沥青砂浆力学性能的粒径效应试验研究

为了进一步理解沥青混合料细观结构,从胶浆理论出发,通过传统力学试验研究集料尺寸对沥青砂浆力学性能的影响,并根据细观模型计算结果对粒径效应影响规律和成因进行分析。结果表明:沥青砂浆的黏性较强而强度较低,在试验过程中很难出现明显的破坏现象,仅最大公称粒径为2.36 mm的砂浆试件能发生单轴压缩破坏,在1.18 mm以下粒径的砂浆试件已无明显劈裂破坏,而在直接拉伸试验中粒径小于0.6 mm的试件均未被拉断;集料尺寸对沥青砂浆的抗压和抗拉性能的影响显著,随着最大公称粒径的减小,沥青砂浆的力学性能减弱,而当粒径小于0.15 mm时沥青砂浆的强度已与沥青胶浆较为接近;从细观力学计算可知,沥青砂浆中粒径最大的那部分集料对其整体回弹模量起主要作用,且进一步验证了集料尺寸对其力学性能有显著影响。     

沥青混合料劈裂强度试验的离散元模拟研究

数值模拟仿真技术在沥青混合料内部细观力学行为的研究中应用非常广泛。本文应用CT扫描技术获取沥青混合料试件的截面图像,对CT图像采取环形分区结合双峰法阈值分割的处理方法,避免分离沥青砂浆与集料时集料的粘连和缺损。通过MATLAB自编程序将图像信息转换为可导入离散元模型的坐标信息,利用沥青混合料各相坐标信息实现马歇尔试件的二维离散元重建,并进行极限劈裂强度试验的数值仿真分析,发现:对CT图像进行环形分区后再处理能够提高图像信息提取的准确性;仿真试验中,模型内部应力主要分布在加载线区域,在模型中散射性分布,模型主要受压应力作用,但发生接触破坏的部位会分布着较大的拉应力;裂缝最先出现在压头的正下方,逐渐沿砂浆与集料界面由慢变快逐渐向下扩展。     

非均质沥青混合料劈裂试验应力分布规律研究

为量化研究沥青混合料受荷载时应力分布规律,借助有限元法建立二维非均质沥青混合料劈裂试验模型,赋予非均质模型材料属性,模拟劈裂试验的受力状态。为测定模型内部应力值,布置沿模型圆心水平方向位置上的5条应力测定线,准确得到各测点的应力值,分析各测线上最大主应力的变化规律,研究沥青混合料劈裂试验后的损伤规律。结果表明:圆心区域的应力值大于周边区域,圆心区域应力值使得该区域沥青混合料受拉开裂,裂纹向外延伸,该情形符合实际劈裂试验的破坏形式;并且在圆心水平方向的上下两部分模型区域应力值对称分布。     

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。     

碾压混凝土劈裂抗拉强度及其尺寸效应的细观数值研究

为了从细观结构上研究碾压混凝土的劈裂抗拉强度及其尺寸效应,采用随机骨料模型,在细观层次上将碾压混凝土看成是由硬化水泥粉煤灰砂浆体、粗骨料颗粒、二者间的黏结带和砂浆层面构成的三相非均质复合材料;利用有限元方法数值模拟研究碾压混凝土的细观损伤断裂和劈裂抗拉,对其劈裂抗拉强度及其尺寸效应进行了研究。结果表明:黏结带和层面是碾压混凝土劈裂抗拉破坏的薄弱环节;碾压混凝土试件的劈裂抗拉强度存在明显的尺寸效应,和一般的试验规律基本吻合;随机生成骨料结构的方法,可以有效地研究碾压混凝土的细观损伤断裂。     

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。     

多年冻土区冻融循环作用对沥青混合料弯拉性能的影响

为准确评价冻融循环作用对高原寒冷地区沥青混合料弯拉性能和细微观结构的损伤机理,针对北方寒冷地区沥青路面在荷载、低温、水冻融循环作用下剩余弯拉强度和疲劳寿命进行研究,制定了适宜的冻融循环试验方案,建立了不同沥青结合料沥青混合料的空隙率、弯拉强度(弯拉应变)、劈裂强度和疲劳寿命在不同冻融循环作用次数下的衰变规律,基于工业CT无损检测分析技术,获得了不同冻融循环次数下四种沥青混合料细观空隙结构变化特征,研究了冻融循环作用对沥青混合料平均空隙直径、空隙轮廓分维数的影响规律,分析给出了冻融循环作用下沥青混合料弯拉性能的损失率计算模型。结果表明:沥青混合料的弯拉强度、最大弯拉应变、劈裂强度、疲劳寿命随冻融循环次数的增加呈减小趋势,经历25次冻融循环后弯拉性能和疲劳寿命衰减趋于平缓。沥青混合料受冻融循环作用后弯拉强度和抗疲劳性能衰变规律符合logistics曲线模型;随着冻融循环次数增大,沥青混合料内部平均空隙直径增大,空隙轮廓分维数减小,平均空隙直径与沥青混合料弯拉性能之间的线性拟合关系良好;使用改性沥青具有维持冻融循环作用下沥青混合料内部空隙直径、空隙轮廓分维数变化不大的作用,在高原寒冷地区建议优先选用SBS或SBR改性沥青。     

沥青混合料劈裂疲劳过程刚度衰减及路面模拟分析

为研究沥青混合料在使用过程中材料属性的变化规律,选择典型路面结构为载体探讨沥青混合料刚度衰减规律及衰减后路面力学状态。以AC-13C、AC-20C、AC-25C沥青混合料为研究对象,设计劈裂强度试验、劈裂疲劳试验得到其疲劳寿命。通过定义沥青混合料不同损伤程度D(0%、20%、40%、50%、60%、80%)及寿命比S,得出各疲劳损伤程度下沥青混合料疲劳作用次数。通过类比沥青混合料抗压回弹模量测试方法,提出了测定疲劳损伤后的劈裂回弹模量测试方法,导出劈裂刚度模量E的表达式;建立随疲劳损伤过程沥青混合料刚度衰减规律。通过ABAQUS有限元法模拟路面结构层和受力状况,将不同损伤程度刚度模量赋值于路面层状模型中,导出上面层竖向位移和下面层层底拉应力参数。结果表明:随着使用过程疲劳损伤不断累积,沥青混合料能刚度模量不断衰减;并且随刚度衰减,面层层底拉应力增加上面层抵抗变形能力下降而变形增加。     

沥青混合料抗拉性能试验研究及力学特性分析

沥青混合料的抗拉性能是表征其低温与疲劳性能的重要指标。本文针对半圆弯曲试验(SCB)与劈裂试验(IDT)建立三维非线性有限元模型,对两种试验方法的受力特点与破坏模式进行数值模拟,并利用室内试验进行验证。结果表明:两试验中试件的力学响应规律明显不同;半圆弯曲试验试件主要承受拉应力,劈裂试验试件内出现压缩、拉伸、剪切多种受力模式交织现象;非轴对称受力时,劈裂试件的应力响应更为复杂,不能充分体现间接拉伸的目的。相比较而言,半圆弯曲试验更能模拟沥青混凝土路面的层底受拉状况。     

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。     

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。     

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。     

公称最大集料粒径对沥青混合料劈裂强度影响数值分析

为研究公称最大集料粒径对沥青混合料劈裂强度影响,基于数字图像处理技术,采用有限元法建立基于混合料二维截面的劈裂试验模型,数值模拟公称最大集料粒径对沥青混合料劈裂强度影响,并加以试验验证。研究表明:公称最大集料粒径影响沥青混合料劈裂强度,公称最大集料粒径与沥青混合料劈裂强度变异性间相关性好。公称最大集料粒径小,相应的沥青混合料劈裂强度数值变异系数则小,反之亦反。     

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。     

基于虚拟劈裂试验研究影响沥青混合料低温抗裂性能的因素

使用X-ray CT扫描粗集料,在PFC3D中重建颗粒,按照集料级配设计随机生成各档集料,构建沥青砂浆相并结合空隙相的实际分布,在重力作用和伺服机制控制下生成沥青混合料虚拟试件,随后设置合适的接触模型以及微观参数,进行虚拟劈裂试验,对影响混合料低温性能的因素进行分析。结果表明：本研究使用虚拟劈裂试验研究沥青混合料的低温抗裂性能是可行的；增大沥青砂浆间以及集料与沥青砂浆间的粘结强度可以提升沥青混合料的低温抗裂性能；增大集料体积分数、空隙率会减弱沥青混合料的低温抗裂性能；集料摩擦系数与沥青混合料的低温抗裂性能无明显相关性。     

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。