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。     

沥青混合料非均质多层次形态特征虚拟试件的三维随机重构

为真实反映沥青混合料内部非均质(粗集料、砂浆和空隙)多层次(矿料级配)结构特性,基于离散元方法,提出了模拟沥青混合料三维细观结构的随机生成算法。采用三维离散元程序(PFC3D)内球形单元相互重叠构成不规则形状的单个集料颗粒;结合区域内多个集料的随机投放技术,建立了可考虑集料不规则形状、级配特征、集料体积含量以及空隙分布的沥青混合料三维离散元虚拟试件。研究结果表明,该算法及程序操作简便,切实可行,为沥青混合料或其他矿物质混合料空间结构重构提供了一种新途径,有效缓解制备试件样本对试验室条件以及人力物力的依赖。     

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.     

基于离散单元法的沥青马蹄脂模型细观参数确定

采用离散元软件PFC对沥青马蹄脂的细观力学行为进行模拟,其中数值模型细观参数的确定是国内外研究学者公认的难题。为了解决这一难题,PFC程序采用伯格斯粘弹性模型模拟沥青马蹄脂的细观接触,并通过伯格斯模型本构行为方程推导模型参数与细观参数之间关系,然后通过室内试验将代表材料性质的宏观参数转化成细观参数,并给出具体的表达式,避免使用模型参数试算的方法,从而直接确定PFC接触模型参数。     

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。     

沥青混合料细观结构离散元分析

为了在细观层次上分析沥青混合料的力学特性,本文用多边形单元模拟粗集料,球形单元粘结在一起模拟沥青玛蹄脂,在细观尺度上建立比较直观、清晰的离散元数值模型,采用3种接触模型描述沥青混合料内部的相互作用,并进行单轴压缩虚拟试验,分析沥青混合料的变形与应力情况。论文对虚拟试验结果进行分析,得出一些重要结论,并对本文的后继研究提出有意义的建议。     

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。     

高速铁路填方路基粗粒土细观力学性质的离散元模拟

基于离散元方法,建立一个表征填方路基粗粒土细观力学性质的颗粒流模型。同时,利用三维颗粒流程序PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,真实地模拟了粗粒土的颗粒级配曲线。通过大量的颗粒流数值模拟试验,准确地标定了表征粗粒土细观力学性质的相关细观参数。计算结果表明:离散元模拟结果和室内土工试验结果基本一致,粗粒土呈现出较大的体缩和体胀性,同时分别对比了不同围压下,路基粗粒土离散元模拟与室内三轴试验下的应力-应变曲线,其变化规律基本一致。     

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。     

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。     

混合料试件中沥青微尺度力学性能原位判别方法研究

为了实现在混合料试件中直接判别沥青微尺度力学性能的想法,确定沥青微尺度力学性能与混合料试件路用性能之间的相关关系,以不同老化程度沥青成型的混合料样本为研究对象。首先,采用冻融劈裂试验、60℃车辙试验和-10,15℃劈裂强度试验,对混合料的抗水损坏性能、高温性能、低温性能以及抗劈裂性能进行评价,研究了沥青老化程度对于混合料宏观尺度性能的影响;然后,采用低温冷冻再切割的方法制备混合料试件显微观测样本,针对选定的样本测试区域利用原子力显微技术(AFM),直接测试(原位)混合料中沥青的微尺度力学性能;利用AFM附带的专业分析软件提取力学图像中局部区域像素点的力学信息,分析了沥青微尺度模量和微尺度黏附力的量化表征方法,获取了混合料中老化沥青微尺度性质的演变规律;最后,基于统计分析方法,建立了沥青微尺度性能与混合料宏观性能的相关关系。研究表明:采用AFM技术可以实现混合料中沥青力学性质的原位测试,混合料中未老化沥青模量集中在420～500 MPa,黏附力集中在27～36 nN;随着沥青老化程度的加深,微尺度模量升高,微尺度黏附力降低。沥青微尺度力学性能的演变规律与混合料宏观尺度性能存在很好的一致性,证实了AFM技术用于混合料试件中沥青性能原位识别的可行性。     

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.     

开级配大粒径沥青碎石混合料劈裂试验的离散元数值分析

为了弥补现有沥青路面结构设计理论中将沥青混合料当作完全弹性体进行计算分析的不足,以AC-16,AC-20,开级配大粒径沥青碎石混合料OLSM-25的劈裂强度为研究对象,采用离散元方法,运用二维颗粒流程序(PFC2D),从细观角度入手,对AC-16,AC-20,OLSM-25的劈裂(间接拉伸)试验进行数值模拟,对比分析AC-16,AC-20,OLSM-25圆柱体试件内部集料颗粒之间的接触力、位移矢量、微裂缝数量及其分布规律.结果表明:在峰值轴向力作用下,当沥青混合料圆柱体试件开裂破坏时,随着沥青混合料公称最大粒径、空隙率的增大以及油石比的减小,试件内部集料颗粒之间的接触力由基本均匀趋于相对离散分布,位移矢量存在显著差异,微裂缝数量逐渐减少.与AC-16,AC-20相比,OLSM-25的间接拉伸抗裂效果显著.     

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。     

沥青路面三点弯曲试验的离散元模拟

为了深入研究半刚性基层沥青路面结构开裂破坏时的层底应力变化和裂纹扩展规律,从细观结构角度出发,基于离散元方法编写了PFC2D程序。程序中使用"Cluster"理论将以矩阵规则排列的单元颗粒进行随机的聚粒操作,这些单元颗粒聚粒组合在一起用来模拟集料,其余没有聚粒组合在一起的单元颗粒则用来模拟沥青砂浆或水泥胶浆,随后随机删除部分单元颗粒以模拟结构的空隙率,从而建立了半刚性基层沥青路面结构的二维数值模型。对模型进行三点弯曲试验数值模拟,同时在模型底部设置测量圆,监测模型底部的应力和裂纹扩展情况。然后在试验室成型相同尺寸和结构的小梁试件,进行室内对比试验,获得了室内试验的实测数据,将数值模拟结果与实验室试验结果进行了对比分析。研究结果表明:用离散元PFC2D程序建立的二维模型可以很好地模拟半刚性基层沥青路面结构三点弯曲试验,其模拟结果与实验室室内试验结果具有较好的相关性,且试验规律一致,为半刚性基层沥青路面的微观结构研究奠定了基础;二维离散元模型很好地监测了微裂纹的产生和扩展情况,弥补了室内试验仅仅依靠肉眼观测的不足,为研究半刚性基层沥青路面结构开裂时的层底应力变化和裂纹发展规律提供了辅助手段。     

基于GTM法设计沥青混合料的旋转剪切过程中相互作用的力学损伤机理研究

运用离散元理论模拟了基于GTM法设计沥青混合料的旋转剪切过程中相互作用的力学损伤作用机理,得出了GTM沥青混合料在试模内旋转剪切过程中颗粒变形、旋转规律,孔隙率发展程度、剪切带形成、剪切破坏直至压缩的全过程,以及GTM沥青混合料颗粒沿剪切面的定向排列和运动变化规律。从细观角度揭示了混合料在旋转剪切过程中颗粒的力学作用机理,将为今后工程现场检测提供技术基础。     

基于离散元模拟细集料对沥青混合料劈裂试验影响

以AC13为例,采用颗粒流PFC2D软件,建立基于混合料二维数字截面的劈裂试验离散元模型,模拟细集料对沥青混合料劈裂试验的影响。研究表明,细集料影响沥青混合料低温劈裂试验强度和破坏应变;2.36 mm档集料可作为沥青混合料AC13集料级配中粗细集料的分界点,即粒径≥2.36 mm的集料为粗集料,小于2.36 mm的集料为细集料。     

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。     

基于离散元法OGFC集料级配优化

以OGFC-10、OGFC-13、OGFC-16为例,在各自推荐级配范围内选择细、中、粗三种集料级配,利用离散元软件PFC2D对相应的OGFC进行单轴压缩试验和劈裂试验数值模拟,以确定最佳集料级配,并通过室内试验对模拟结果加以验证,最后对最佳级配混合料进行路用性能检验。研究表明:离散元法可以用于模拟沥青混合料的单轴压缩试验和劈裂试验,为研究OGFC混合料的力学性能和级配优化提供了辅助手段。