沥青混合料劈裂试验的颗粒流程序模拟研究

为了从细观角度模拟分析沥青混合料的低温开裂行为,选取了4种集料类型、4种矿料级配类型,运用颗粒流程序PFC2D内置"Fish"语言,重构了包含沥青砂浆和粗集料在内的沥青混合料细观数字试件,采用离散元方法实施了虚拟劈裂试验。研究结果表明:离散元模拟得到的劈裂抗拉强度与室内试验结果的匹配程度较好;试件在加载至峰值荷载前,内部已萌生一定数量微观裂纹,极值点荷载后微观裂纹数量大幅增加;高强度集料组成的混合料基本沿着集料与砂浆的界面发生破坏,低强度集料则部分会被裂纹贯穿;基于颗粒流程序的虚拟劈裂试验可以作为研究沥青混合料断裂特征的辅助手段。     

基于数字图像与颗粒流程序的沥青混合料单边切口梁试验

为了在细观尺度下模拟沥青混合料的断裂过程,借助数字图像技术获取了1.18 mm粒径以上的沥青混合料细观结构,运用离散元程序PFC2D内置"Fish"语言,构建了包含粗骨料、沥青胶浆和空隙在内的沥青混合料非均质虚拟试件,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。研究结果表明:自定义时步大小功能可以大幅提高非均质离散元模型的运算效率;采用沥青胶浆动态模量作为静态模拟时接触刚度所对应宏观参数更为合适;参数校准后模拟得到的整体断裂响应与室内试验结果之间的联系较好;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;基于离散元程序的虚拟试验方法可以作为研究沥青混合料断裂行为的辅助手段。     

粗集料形态特征及其对沥青混合料高温抗剪强度的影响

采用60℃单轴贯入试验,确定沥青混合料高温抗剪强度。使用数字图像处理技术,从形状、棱角性和表面纹理对粗集料二维形态特征进行具体描述,运用等效椭圆法和筛孔尺寸修正系数识别粗集料级配。结合MATLAB软件编写程序提取粗集料形态参数,确定与沥青混合料高温抗剪强度相关的粗集料二维形态特征指标,利用图像拓扑性质欧拉数定量评价粗集...     

再生沥青混合料单轴静态蠕变试验的离散元仿真

根据新拌沥青混合料细观力学研究现状,提出了基于三维离散元方法和虚拟图像技术的再生沥青混合料细观力学仿真思路,并介绍了实现过程.利用虚拟图像技术,生成基于再生沥青混合料细观结构的虚拟试件,建立了离散元细观模型,提出了细观模型参数的确定方法.利用再生沥青胶浆单轴静态蠕变试验,获得了再生沥青胶浆的细观模型参数.依据时温等效原理,进行了粘弹性参数转换,以提高模型的计算效率.采用PFC3D离散元方法,利用PFC自带的FISH语言,编制相应的程序,输入转换后得到的模型参数.使用模型参数模拟再生沥青混合料单轴静态蠕变的虚拟试验,并与再生沥青混合料室内试验结果进行对比,验证了虚拟试验的合理有效性.     

基于图像技术的沥青混合料细观结构研究进展

基于数字图像处理技术来研究沥青混合料的细观结构,回顾沥青混合料细观结构静态及动态识别的研究进展,其后列出一幅数字图像处理技术流程图并对获取沥青混合料内部结构图像方法(X-ray CT技术)进行了详细介绍;对通过图像处理技术来描述混合料内部结构特征,即集料形状及分布、接触特性和空隙分布规律等方面的研究进展情况进行论述,介绍了运用有限元、离散元和边界元这3种数值模拟方法及有关沥青混合料细观力学特征的虚拟试验.研究表明:X-ray CT无损伤扫描技术能较好识别沥青混合料内部细观结构特征;数值模拟结合有限元、离散元或边界元法能将沥青混合料内部细观结构与其宏观性能之间建立有机联系;虚拟试验应用能很好帮助理解宏观试验结果.在集料形状与分布研究中,尚未形成统一的评价指标,且不同研究人员采用不同的评价指标;X-ray CT技术精度问题和适用范围还需进一步改善;集料、沥青胶浆和空隙这3者之间还未建立有效的区分方法.通过总结数字图像处理技术对沥青混合料细观结构的应用,以期为后续关于沥青混合料宏观-细观-微观研究提供参考.     

基于图像技术的沥青混合料细观结构研究进展

基于数字图像处理技术来研究沥青混合料的细观结构,回顾沥青混合料细观结构静态及动态识别的研究进展,其后列出一幅数字图像处理技术流程图并对获取沥青混合料内部结构图像方法(X-ray CT技术)进行了详细介绍;对通过图像处理技术来描述混合料内部结构特征,即集料形状及分布、接触特性和空隙分布规律等方面的研究进展情况进行论述,介绍了运用有限元、离散元和边界元这3种数值模拟方法及有关沥青混合料细观力学特征的虚拟试验.研究表明:X-ray CT无损伤扫描技术能较好识别沥青混合料内部细观结构特征;数值模拟结合有限元、离散元或边界元法能将沥青混合料内部细观结构与其宏观性能之间建立有机联系;虚拟试验应用能很好帮助理解宏观试验结果.在集料形状与分布研究中,尚未形成统一的评价指标,且不同研究人员采用不同的评价指标;X-ray CT技术精度问题和适用范围还需进一步改善;集料、沥青胶浆和空隙这3者之间还未建立有效的区分方法.通过总结数字图像处理技术对沥青混合料细观结构的应用,以期为后续关于沥青混合料宏观-细观-微观研究提供参考.     

集料取向对沥青混合料永久变形性能的影响

为了研究压实过程中集料取向对沥青混合料永久变形行为的影响,采用三维离散元方法进行分析,生成了包含粗集料、沥青砂浆及空隙的沥青混合料三维离散元模型,对混合料离散元模型微观组成结构之间的接触行为赋予了相应的微观接触模型及参数,在此基础上对沥青混合料单轴静态蠕变试验进行了三维离散元模拟,并分析了集料取向对沥青混合料永久变形行为的影响。研究结果表明:三维离散元模拟结果与室内试验较为接近; 4. 75 mm粒径集料取向对沥青混合料的永久变形性能影响较为显著;集料的取向趋于水平时,排列相对稳定,沥青混合料的永久变形性能较好。     

泡沫沥青冷再生混合料空隙分布特征研究

文章采用CT扫描技术和数字图像处理技术获取泡沫沥青冷再生混合料细观空隙特征,分析空隙特征沿试件高度方向的分布规律,提出基于“级配”理论的空隙尺寸分布Weibull双参数模型。结果表明：随着细集料比例增加,再生料试件内部空隙率逐渐降低,空隙数量逐渐减少。同时,Weibull分布函数模型中的“尺度参数”λ减小,“形状参数”k增大,即空隙分布更均匀。试验结果可为泡沫沥青冷再生混合料空隙演化规律研究提供一定参考。     

基于沥青混合料表面构造特性的集料设计参数

为了实现基于表面构造特性的沥青混合料优化设计,运用图像处理技术的沥青混合料表面构造水平及分布特性测试方法,研究了具有不同集料设计参数的沥青混合料表面构造水平随波长的分布特性,提出了表征沥青混合料表面构造整体水平的指标(特征波长和特征波水平),分析了不同通过率处集料粒径大小与混合料表面构造水平之间的相关性;运用分形理论计算了集料级配的不规则性及破碎程度,并研究了集料形态及其在沥青混合料中的分布.结果表明:90%通过率处的集料粒径D90能够表征集料粒径整体大小;集料级配分形维数可反映和度量集料级配的不规则性及破碎程度;集料规则度及方向角正弦值可表征集料形态及其在沥青混合料中的分布特性.     

沥青混合料细观力学数值分析

为了分析细观状态下沥青混合料的力学性能,从沥青混合料的细观尺度出发,利用质量比与比表面积不变的原则配置试件,将粒径小于4.75mm的骨料视为基体材料,利用CT扫描及图像处理技术得到混合料试件的骨料分布,对预先设定配合比的沥青混合料试件进行强度试验,得到沥青混合料强度及数值模型的参数;在ABAQUS软件中用弹性模型模拟沥青混合料二维数值路面结构在荷载作用下的变形,并对弹性状态下路面细观二维数值模型与均质模型进行对比。结果表明:路面细观二维数值模型与均质模型数值分析结果接近,同时实验结果与数值模拟的相对误差在10%以内,说明数值模型能够对路面结构受力情况进行比较准确的模拟,验证了细观状态下分析路面受力情况的有效性。     

多孔沥青混合料内粗集料破碎规律分析

为从细观结构角度分析多孔沥青混合料内粗集料破碎规律及其受颗粒形状的影响,运用Matlab 软件编写了粗集料混合物二维数字试件的生成程序,通过程序控制混合物中各档粒径集料的长短轴比及其比例,生成了11组具有不同集料形状的多孔沥青混合料(OGFC 16),采用二维颗粒流程序(PFC2D)对OGFC 16进行压缩模拟,采集压缩过程中集料初始起裂时间、破碎集料数量和集料开裂前转角等破碎特征,分析其与各档集料形状和比例的关系。结果表明:集料越扁平越早起裂;对于OGFC 16 沥青混合料,影响集料初始起裂时间的主要档数是16~19 mm、13.2~16 mm和9.5~13.2 mm,对集料破碎数量影响较大的档数是9.5~13.2 mm、4.75~9.5 mm和2.36~4.75 mm;集料破碎时,其转角基本<30°,集料越扁平越容易转动,大转角基本发生在扁平集料。     

基于细观尺度沥青混合料弹性模量预测

为了更好地预测沥青混合料的弹性模量,从沥青混合料细观尺度出发,基于广义自洽模型,给出预测沥青混合料弹性模量的方法,细观模型预测的有效弹性模量与其实验室测量的弹性模量进行对比,当考虑粒径为2.36 mm以上的粗集料时,该模型能够很好地预测沥青混合料的弹性模量:预测值和实测值吻合良好,基于细观尺度,当仅考虑粒径为2.36 mm上的粗集料,而细集料、矿粉及沥青看成基体材料来预测沥青混合料细观特性切实可行,该方法克服了宏观沥青混合料数值模拟方法的局限性。     

沥青混合料粗集料抗疲劳性能

为研究AC-13沥青混合料在重复荷载下各挡粗集料的抗疲劳性能,提出反映各挡粗集料特性的沥青混合料等效基体(AC-9.5、AC-4.75、AC-2.36、AC-1.18)概念;通过疲劳过程等效基体的开裂特性,分析各挡集料的抗疲劳能力。建立疲劳过程Miner线性损伤模型,设计不同应力水平的劈裂强度试验和疲劳试验,得出各等效基体劈裂抗拉强度和疲劳寿命。依据损伤模型与疲劳寿命结果,划分沥青混合料及其等效基体不同损伤程度(20%~80%)的疲劳作用次数;定义裂纹贯穿比例,分析不同应力水平等效基体随损伤程度的裂纹贯穿变化规律。结果表明:9.5~13.2 mm集料和4.75~9.5 mm集料对提高AC-13沥青混合料抗疲劳性能的作用大于2.36~4.75 mm和13.2~16 mm集料;通过提高4.75~13.2 mm集料的质量分数可以提高沥青混合料的抗疲劳性能,但提高13.2~16 mm和2.36~4.75 mm集料的质量分数对提高抗疲劳性能作用不明显。     

沥青混合料单轴压缩试验的细观分析

运用基于离散元法的二维颗粒流程序PFC2D模拟沥青混合料单轴压缩试验,选择连续密级配AC-13作为研究对象,得到模拟试验与实际室内试验试件的应力-应变曲线,二者的结果较吻合。输出模型图、颗粒间接触力图、颗粒位移图,从细观角度分析沥青混合料的性质,分析结果更加准确、合理,克服了单纯从宏观角度分析沥青混合料性质的片面性。     

集料形态参数对沥青混合料高温性能的影响研究

集料的形态特征对于沥青混合料的高温性能起到至关重要的作用。应用分形理论的基本原理,采用分形维数作为集料的形态参数对于集料的形态特征进行定量的评价。同时采用动态模量试验,对三种不同级配类型的沥青混合料的高温性能进行评价,采用动态蠕变曲线第二阶段的指标,流变次数Fn来表征沥青混合料的高温性能。通过一元线性回归分析,集料的形态参数分形维数与高温指标Fn具有很强的相关性。因此,集料结构完整,嵌挤密实,分形维数越大的沥青混合料具有更优越的抗高温性能。     

细集料棱角性试验方法及标准研究

细集料的棱角性对沥青混合料的路用性能有着重要的影响,尤其是对混合料的高温性能影响显著。随意对细集料的棱角性采用科学合理的试验方法进行评价和制定可控的标准,对保证路面的质量起着极为重要的作用。分析了目前我国常用的细集料试验方法,在大量研究的基础上也对细集料评价新方法展开了研究。     

沥青混合料裂缝扩展过程细观力学模拟

采用离散元方法构建了沥青混合料马歇尔数字试件，模拟了间接拉伸试验，研究了粘结强度比、颗粒摩擦因数和加载速率对微裂缝扩展过程的影响，分析了试件内部颗粒的细观响应。模拟结果表明：粘结强度比越大，沥青的粘结特性越明显，使得微裂缝的类型由法向渐变为切向，当粘结强度比由0．500增大到4．000时，接触力减小了78．05％，位移...     

考虑均匀性的沥青混合料最佳沥青用量确定方法

为了确定沥青混合料中的最佳沥青用量,利用CT技术识别沥青混合料各组分内部结构特征,并以粗集料、沥青砂浆和空隙各组分的密度和面积为主要特征参数,提出了沥青混合料的均匀性评价指标,建立了沥青混合料均匀性评价方法;分析了沥青混合料马歇尔设计方法中的体积设计参数与内部结构各组分特征的关系,考虑了沥青混合料内部结构的均匀性,建立了沥青混合料最佳沥青用量的确定方法,并选用3种沥青混合料(AC-13、AC-16和AC-20)对该方法的有效性进行了验证。分析结果表明:沥青混合料的均匀性评价指标与空隙率具有良好的对应关系,最小均匀性评价指标对应沥青混合料试件内部结构均匀性最佳时的空隙率;基于均匀性评价方法所得的空隙率与密度试验测算空隙率的平均差值为0.28%,并据此计算的间隙率和饱和度与采用马歇尔设计方法得到的间隙率和饱和度的平均值差值分别为0.27%和1.33%,因此,利用考虑均匀性的沥青混合料内部结构各组分体积特征参数可以准确地表征沥青混合料马歇尔设计方法中的体积设计参数;采用最佳沥青用量确定方法与马歇尔设计方法得到的AC-13、AC-16和AC-20三种沥青混合料最佳沥青用量差值分别为0.07%、0.03%和0.05%,这表明了最佳沥青用量确定方法的有效性。     

集料特性对沥青混合料抗剪性能的影响研究

从集料特性入手,通过单轴贯入试验和三轴压缩试验,研究分析不同集料类型和特性对AC-13沥青混合料抗剪性能的影响规律。研究表明,玄武岩沥青混合料的抗剪性能优于石灰岩,同时,减小集料的针片状颗粒含量、压碎值、磨耗值,提高其棱角性,能够增大沥青混合料的粘聚力和内磨擦角,从而提高沥青混合料的抗剪性能。     

沥青混合料离析程度对路面性能影响研究

针对沥青混合料离析程度对沥青路面路用性能的影响不同,以某一级公路为研究对象,现场取样后进行室内试验研究。通过PQI无核密度仪对沥青混合料密度进行测定再换算为空隙率,根据沥青混合料的空隙率将离析分为细集料离析、无离析、轻度离析和重度离析。通过室内试验得出:细集料聚集部位其高温稳定性下降约51%,粗集料聚集部位高温稳定性下降约25%~50%;细集料聚集部位低温抗裂性提高了约87.66%,粗集料聚集部位下降了约14%~51%;细集料离析时水稳定性提高了约9.93%,粗集料离析时下降了约7.5%~38.6%;细集料聚集部位的抗疲劳性提高了约9.68%,粗集料聚集部位下降了约36%~65%。通过对山西省某一级公路沥青混合料离析部位的实地勘察,得出通过加强原材料质量控制、严格控制混合料拌和及运输过程、严格控制摊铺机的选择和摊铺操作及添加合适的外加剂可以控制沥青混合料施工质量,避免出现离析现象。