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。     

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。     

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。     

不同级配沥青混合料SCB试验扩展有限元仿真分析

SCB试验由于其试块来源广泛,试验装置简单,成为评价沥青混合料抗裂性能的有效方法,并在欧美国家推广应用。为研究扩展有限元法对SCB试验裂缝扩展分析的有效性,建立三维扩展有限元模型求解不同深度裂缝应力强度因子,并与理论值进行对比分析。通过蠕变试验和SCB试验得到材料的基本参数,采用Abaqus平台建立不同深度裂缝的二维扩展有限元模型,对裂缝扩展过程进行仿真分析,并与实际试验数据进行对比。结果表明:扩展有限元仿真分析结果与试验结果误差较小,是研究SCB试验裂缝扩展的有效方法。     

基于ABAQUS的运料车配置对沥青混合料温度离析的影响研究

采用有限元软件ABAQUS建立运料车内沥青混合料温度场的二维有限元模型,模拟在一定的环境条件下,运料车的不同配置对车内沥青混合料的温度变化情况。通过对比8种配车方案下运料车内混合料的内外层温差,分析运料车配置对沥青混合料温度离析的影响,进而对已配置的模拟方案进行评价。研究结果表明:在保证机群连续施工的不同方案中,混合料覆盖情况、运输时间、环境温度和车型因素对运料车内不同部位表层的混合料温度有着不同程度的影响;并依据运料车内混合料温差之评价指标,得出了方案三形成的沥青混合料温度差异最小。     

乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料性能研究

为了检验沥青稳定类冷再生混合料性能,回答乳化沥青与泡沫沥青孰优孰劣的争论,采用劈裂试验、车辙试验对泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料性能进行了对比试验研究。研究结果表明,乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料的力学特性有明显的温度依赖性,均为粘弹性材料;冷再生混合料15℃劈裂强度满足规范中密级配粗粒式热拌沥青混凝土强度范围;泡沫沥青冷再生混合料劈裂强度、浸水24 h后的劈裂强度略高于乳化沥青冷再生混合料;乳化沥青冷再生混合料的动稳定度显著高于泡沫沥青冷再生混合料,且都远超过规范对改性沥青混合料动稳定度的技术要求。乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料性能均能满足沥青路面中下面层的要求。     

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。     

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。     

沥青混合料半圆弯拉强度与间接拉伸强度对比分析

强度是与沥青混合料路用性能密切相关的一项指标,采用半圆弯拉试验评价沥青混合料弯拉强度是一种新型试验方法。基于三维有限元模型建立半圆试件底部中心点应力公式,在考虑试件切割损耗情况下得到的应力系数更符合实际。采用半圆弯曲和间接拉伸2种试验方法对AC-9.5和AC-16两种沥青混合料在4个温度下进行强度试验,试验结果表明,半...     

沥青混合料小梁蠕变试验与数值分析

蠕变性能是评价沥青混合料的重要指标之一。利用三分点小梁弯曲试验对沥青混合料的蠕变性能进行研究,探讨加载水平对蠕变曲线的影响。通过对试验蠕变曲线的拟合,获取沥青混合料的粘弹性参数,利用有限元方法对沥青混合料小梁的弯曲蠕变试验进行数值模拟,得出不同温度及不同荷载条件下沥青混合料小梁蠕变规律,并与试验结果进行比较。研究表明,同一温度下,随着应力水平的增大,永久变形会随之增大,且稳定期应变发展速率也会增大;粘弹性数值分析结果与试验结果吻合良好,可以反映沥青混合料蠕变前2个阶段的变形特征。     

基于原子力显微镜的沥青微观损伤机理分析

为揭示微观尺度下沥青的损伤机理,采用原子力显微镜（AFM）对基质沥青及SBS改性沥青进行了测试分析。首先设计了一款AFM原位拉伸试验装置;然后,结合AFM原位拉伸试验测试了拉伸荷载作用下沥青表面不同微观结构及其力学性能;基于形貌测试结果和ABAQUS软件建立了沥青的二维有限元模型,分析了拉伸荷载作用下沥青表面的应力分布;最后,结合AFM测试结果和有限元模拟结果分析了沥青的微观损伤机理。研究结果表明：所研究的基质沥青表面存在3种微观结构,即蜂状结构、蜂壳结构和间隙结构,SBS改性沥青无明显蜂壳结构;间隙结构抗变形能力最弱,蜂状结构抗变形能力最强;SBS改性剂的加入降低了沥青表面的应力,且使应力分布更均匀;拉伸荷载作用下,沥青表面会出现相分离,随着荷载增大相分离现象加剧,相分离出现在沥青表面应力最大处;拉伸荷载作用下沥青的损伤演化过程中,沥青应力较大的间隙结构首先出现相分离,随着荷载增加,相分离不断加剧直至微裂纹产生。     

移动非均布荷载作用下的沥青路面动力响应分析

为更准确地模拟沥青路面实际的受力状态,基于弹性层状理论,借助大型有限元分析软件ANSYS,建立了沥青路面三维有限元粘弹性模型,并对其施加非均布垂直和切向摩擦行为的共同影响,分析车辆在匀速行驶时,沥青路面在不同载重车辆荷载作用下的动力响应。结果表明,纵向最大拉应力位于基层层底,纵向最大压应力位于沥青面层。超载显著增加了各层结构应力,加速了路面结构的破坏。路面设计时应提高上层材料的抗压强度。     

沥青混合料黏弹性数值转换与路面结构力学响应计算

为对比分析沥青混合料的弹性和黏弹性路面结构模型的不同力学响应特性,分别建立弹性和黏弹性两种三维有限元模型,计算结果表明:黏弹性模型中沥青层底拉应变随车速的增加而减小,在较低车速范围内沥青层底拉应变随车速的增加减小速率大,当车速超过80 km/h时,沥青层底横向拉应变减小速率迅速变小。弹性模型中沥青层底拉应变随车速变化规律不明显,不能反映车速对沥青层内力的影响。     

聚合物改性水泥基材料对沥青路面面层疲劳性能的改善

通过有限元计算对比分析了普通小梁和复合小梁的应力分布规律,设计并实施了室内重复弯曲试验,得到不同条件下小梁的疲劳寿命,运用回归分析建立了小梁疲劳方程,研究表明聚合物改性水泥基材料对沥青混合料小梁的疲劳性能有显著改善。     

沥青路面线性疲劳损伤特性及应力状态演变规律

为了研究沥青路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化特性及应力状态演变规律,运用通用有限元软件ABAQUS及二次开发平台,建立考虑路面材料线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤以及路面结构内部水平正应力的空间分布与演化规律。结果表明:路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近层底的区域,随着荷载作用次数增加,基层层底与底基层层底损伤度均增加,但增加幅度逐渐减小;双轮中心线下靠近层底区域,考虑损伤的路面结构相比无损路面结构,水平拉应力均有所减小,且随荷载作用次数增加,水平拉应力逐渐减小,但减小的幅度逐渐趋缓。研究结果可用于路面维修养护中路面破坏区域及程度的判断,以及路面设计研究中设计指标的确定。