基于三维随机细观模型的沥青混合料断裂行为研究

为了从细观层次研究沥青混合料内部损伤失效机理,采用三维激光扫描技术获取真实集料三维形态信息,根据其形态特征参数提出一种三维随机凹凸型集料建模方法,并构建三维虚拟集料库。使用Monte Carlo方法构建AC-13三维虚拟试件,利用多刚体动力学方法模拟试件压实过程。采用截面算法获取沥青混合料二维细观模型,在模型有效性和准确性得到验证的基础上利用该模型开展虚拟间接拉伸试验,运用内聚力模型和广义Maxwell模型表征沥青混合料断裂行为和黏弹特性,引入断裂损伤指标D_m量化其内部损伤,并利用虚拟试验探讨温度对沥青混合料断裂行为的影响。结果表明,在宏观层次,主裂纹不受温度影响,沿着粗集料的边界逐渐发展直至试件破坏;在细观层次,相较于沥青内部界面单元,沥青-集料界面单元更易出现损伤,更快达到损伤失效点,且受温度影响显著。     

环氧沥青混合料细观尺度水损坏特性

基于细观尺度技术研究环氧沥青混合料(EA)早期水损破坏的力学特性,建立集料-黏结界面-沥青砂浆平面细观力学有限元模型.引入内聚力模型(CZM)对集料与沥青砂浆界面进行离散,模拟EA在水分渗透过程中集料与沥青砂浆界面裂缝的萌生、扩展直至失效的过程,分析载荷与水分耦合作用下EA出现集料剥离与裂缝的力学特性.研究表明:EA的力学响应受材料含水率的影响很大,剥落主要发生在体积较大且形状不规则的集料周围;材料含水率增加会加剧沥青混合料水损破坏的程度,集料剥离呈快速增大趋势;集料四周薄弱界面区域内的沥青砂浆在受力上最为不利,极易出现水损病害.集料体积特征对EA水损破坏存在较大的影响,应控制过粗集料在混合料中所占比例.     

基于集料接触特性的沥青混合料抗车辙性能评价

基于数字图像技术对沥青混合料的粗集料接触点数与集料倾角进行了分析,采用沥青路面分析仪评价了添加不同沥青的AC-13F、AC-13C与SMA-13混合料的抗车辙性能,并以粗集料初始接触点数以及沥青软化点为变量建立了车辙深度预估模型,定义了用于级配选择的混合料最佳接触点数以及最小接触点数.结果表明:混合料的高温稳定性可以采用粗集料接触数量以及倾角变化量进行评价,沥青性能主要影响接触点与倾角的变化量;将接触点数量引入混合料的设计中作为级配选择的参考,可提高沥青混合料的抗车辙性能.     

基于数字图像处理技术的沥青混合料运动特性

为了分析沥青混合料在碾压成型过程中分布不均匀的原因,利用数字图像处理软件,分别处理AC-13型沥青混合料振动每30s的试件剖面,进而得到13.20mm、9.50mm、4.75mm、2.36mm这4档集料随时间变化的分布情况。研究结果表明:在AC-13型沥青混合料碾压成型过程中,13.20mm集料的运动趋势随时间变化最为明显,在水平和竖直方向均做上下左右的往复运动,且整体运动幅度较大,对沥青混合料的均匀性影响最大;9.50mm的集料随时间变化的运动趋势较缓和,整体运动方向与13.20mm集料大体一致,对沥青混合料的均匀性有影响;相比以上2档集料,4.75mm档和2.36mm档集料随时间变化的运动趋势都不是很明显,它们的重心基本上都集中在剖面的中心位置,说明这2档集料整体上分布的较为均匀,对沥青混合料的均匀性影响很小。     

橡胶沥青混合料SAC-13级配空隙率变化分析

在普通沥青的多碎石沥青混凝土(SAC)设计的基础上,以空隙率为研究变量,采用固定油石比,再微调级配的方式,深入对比了SAC-13级配变化的普通沥青和橡胶沥青混合料的空隙率影响规律.结果显示:对于普通SAC-13沥青混合料,油石比每增加0.5%,空隙率减小1%～1.5%,随着9.5～13.2mm粗集料含量增多,4.75～9.5mm粗集料含量减少,混合料粗集料间隙率呈递减之势;对SAC橡胶沥青混合料,建议9.5mm以上集料用量范围限定在30%～45%之间,4.75～9.5mm集料用量范围限定在20%～40%之间,且4.75mm以上粗集料总用量应达到60%以上,2.36～4.75mm集料含量不宜高于10%,且不宜使用过多矿粉;同样目标空隙率下,SAC-13橡胶沥青混合料的粗集料掺量应略低于普通沥青混合料;SAC-13橡胶沥青混合料中当2.36～4.75mm集料含量达到8%以后,随着该档料用量的增加,空隙率增幅明显高于普通沥青混合料,需严格控制此档料含量.     

基于Drucker-Prager模型的沥青混合料细观尺度蠕变特性分析

长期行车荷载作用条件下沥青混合料具有典型的蠕变特性,然而宏观的室内性能评价试验难以表征细观结构对混合料蠕变性能的影响规律。本文基于粉胶比控制原理计算出最大公称粒径为1.18 mm的沥青砂浆级配,并通过回弹模量及静压单轴蠕变试验获得沥青砂浆相粘弹特性;基于数字图像处理技术建立考虑砂浆与粗集料二组分的沥青混合料细观结构模型,通过非线性拟合获取Drucker-Prager模型蠕变性能参数;利用有限元方法完成荷载作用条件下的模型蠕变分析。计算结果表明:模型结果在误差允许范围内可以表征材料的蠕变变形趋势,细观骨架结构、粗集料粒径尺寸及朝向的合理组合能提高沥青混合料承受长期行车荷载作用的能力。     

考虑粗集料和空隙的沥青混合料粘弹性细观力学分析

利用细观力学方法分析了粗集料和空隙对沥青混合料的粘弹性能的影响。在Laplace空间域内,分别对粗集料和空隙利用细观力学的Mori-Tanaka等效夹杂理论解决了沥青混合料的混合夹杂问题。然后基于宏观平均场理论,从沥青砂浆基体粘弹性能推导了沥青混合料的粘弹性能。以单轴和简单剪切应力下的预测为例,分析了粗集料和空隙对沥青混合料性能的影响,结果发现：复合材料细观理论可以成功地从性质均匀的沥青砂浆粘弹性能预测性质复杂的沥青混合料粘弹性能,沥青混合料粘弹本构方程可以表示为粗集料和空隙的综合影响系数与沥青砂浆粘弹本构方程的乘积形式。空隙率的增大会导致综合影响系数呈线性减小,而粗集料体积分数的增大会使其呈指数规律迅速增大,说明空隙和粗集料对沥青混合料的粘弹性能分别起到衰减和增强作用,但空隙的衰减作用弱于粗集料的增强作用。粗集料和空隙对沥青砂浆的综合影响体现为增强作用（2～10倍）,且剪切应力下增强作用近似是单轴应力下的2倍。沥青砂浆基体泊松比对综合影响系数的影响甚微,在以后的研究中可以取定值。     

沥青混合料疲劳损伤试验表征综述

针对沥青混合料疲劳损伤细观形态难以与宏观力学性能表征联系起来的现状,从损伤机理、表征模型及疲劳性能试验方法三方面综述了沥青混合料疲劳性能表征的发展现状、存在的问题,预测了其未来的发展方向。研究表明：由于沥青混合料是一种多相、多组分、多尺度的黏弹性材料,在评价其疲劳性能时,宏观的疲劳试验需要结合计算机断层扫描、数值模拟和数字图像相关技术等细观分析方法。沥青混合料疲劳性能试验方法目前应用最为广泛的是室内小型试件疲劳试验,由于不同试验方法中设置的试验条件各不相同,故其试验结果和性能参数呈现出显著的差异性。应重点研究沥青混合料抗疲劳开裂性能的细观结构损伤开裂形态与宏观性能表征的联系;改进现有疲劳试验方法的试验条件、开发先进的三维应力状态的加载设备,并增加试验的尺度以反映真实荷载环境下的疲劳性能;基于能量理论和黏弹性连续损伤揭示沥青混合料疲劳特性和历史荷载条件下的疲劳损伤规律。     

基于三轴试验的AC-20级配优化

为了提高沥青混合料的高温稳定性,利用PFC~(3D)(partical flow code in 3 dimensions)软件构建沥青混合料三轴数值模拟方法,结合室内三轴试验评价了其可靠性.通过三轴数值模拟和室内三轴试验,研究粗集料级配、细集料级配和粗细集料比例对沥青混合料抗剪强度的影响规律.通过研究19.000,4.750,0.075 mm筛孔通过率对AC-20性能的影响,提出基于抗剪强度的AC-20矿料级配,并验证其路用性能.结果表明:沥青混合料三轴数值模拟结果与室内试验结果吻合度较好;当粒径为19.000～26.500,16.000～19.000,13.200～16.000,9.500～13.200,4.750～9.500 mm的粗集料的体积比为4:12:4:10:15、细集料取I=0.75时所对应的级配、粗细集料体积比为60:40时,沥青混合料抗剪强度最大;建议在19.000,4.750和0.075 mm通过率范围分别为90.0%～100.0%,35.0%～45.0%和4.0%～7.0%时,确定基于抗剪强度的AC-20优化级配范围;与规范级配相比,优化级配AC-20混合料抗剪强度和动稳定度分别提升26%,29%.     

沥青混合料沥青膜厚度计算方法之维姆模型修正

对美国沥青协会(AI)推荐的计算集料表面积的维姆(Hveem)法在原来的基础上给予修正.利用修正后的模型结合沥青混合料配合比设计的最佳沥青用量,确定不同沥青混合料的最佳沥青膜厚度.结果显示,沥青混合料AC-13C、AC-20C、AC-25C的最佳沥青膜厚度分别为21.59、16.64及14.13μm.     

基于抗车辙稳定性的多孔沥青混合料级配优化

为了对多孔沥青混合料进行级配比选和优化,基于离散单元方法建立粗集料骨架结构的力学模型,对空隙率相近但级配不同的PAC-13骨架结构进行虚拟试验,并通过粗集料的CBR,混合料的车辙、剪切、飞散、劈裂等室内试验进行验证.试验结果表明:空隙率相近但级配不同的多孔沥青混合料骨架结构的力学性能、高温稳定性、抗飞散性能差异显著;对于PAC-13,将9.5～16mm和4.75～9.5mm的颗粒含量之比定义为粗值,粗值大有利于混合料的高温性能,粗值小有利于混合料抵抗飞散;推荐PAC-13的最佳粗值区间为0.8～1.1,并根据这一指标优化了多孔沥青混合料的级配范围,将9.5mm筛孔通过率由60%～80%调整为56%～68%;优化后粗集料骨架结构的力学性能和混合料的抗车辙稳定性显著提高.     

基于CT技术的沥青混合料细观有限元建模和网格离散研究

借助工业CT扫描技术对于沥青混合料的细观组成进行扫描,并将扫描后的图片通过图形识别处理进而实现了沥青混合料中的胶浆二维几何形状重构和空间分布的确定,并通过设置临界值的方法剔除了可能影响沥青混合料材料细观有限元模型网格划分的骨料和空隙几何信息,最终结合有限元方法实现了半自动的沥青混合料细观尺度上的有限元网格离散化的流程.从而为分析沥青混合料细观力学特性的研究提供了可行的建模方法,也为从细观角度了解沥青混合料的各类力学特性提供了一个有限元模型平台.     

基于离散元法的沥青混合料骨架细观性能研究

为了更深刻地了解混合料的骨架结构,为骨架密实型沥青混合料的设计提供理论依据,基于离散元法对沥青混合料骨架和主骨架的构成、骨架细观结构基本特性以及骨架应力传递性能进行了系统研究.结果表明:沥青混合料骨架的质量评价在于骨架传递应力的大小和抵抗外部荷载的能力;混合料内接触点可分为有效接触点和无效接触点,主骨架基本由相互接触的2.36 mm以上粗集料所构成;沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)骨架传递的应力一般为加载应力的70%~80%,骨架传递的应力比例与集料公称最大粒径成正比,与试件厚度成反比,而主骨架对骨架应力传递的贡献率达70%以上.     

沥青混合料三维仿真设计及虚拟剪切试验研究

使用凸包算法和Bubble Pack算法生成clump块体模拟粗集料颗粒,并基于PFC 5.0 3D平台实现虚拟粗集料颗粒的装配、虚拟砂浆及空隙的生成,完成沥青混合料虚拟试样的构建.最终,基于伺服控制原理进行虚拟三轴剪切试验,并对比分析室内试验及虚拟试验数据.结果表明:基于PFC5.0 3D平台在沥青混合料虚拟试样中采用clump块体直接表征粗集料颗粒,精度可控,表面结构更加拟真;构建的沥青混合料三维离散元数值模型能够有效描述沥青混合料的力学行为.     

采用离散元方法评价集料的骨架结构

为了从细观结构角度深入研究骨架型沥青混合料集料的受力特征,在离散元程序PFC3D内,采用多球相互重叠的方法描述粗集料颗粒的三维不规则形状,并建立了考虑级配特征的集料混合物生成方法.按照集料粒径由大到小的顺序,在PFC3D中对各档集料进行了虚拟的逐级填充,并定量分析了各粒径集料对逐级填充后混合物中集料间隙率、集料之间的接触点数量、接触力等参数的影响.结果表明:集料混合物中,较粗集料受到的接触力大于较细集料;在较粗集料的混合物中,加入大于2.36 mm的较细集料有助于增加集料混合物的接触点数量,降低较粗集料所承担的接触力;粒径4.75～9.50 mm集料对接触点数量的增加最为显著;4.75 mm是骨架型沥青混合料的关键粒径.     

沥青混合料级配优化设计

为了优化沥青混合料（HMA）集料级配，提高路面抗车辙性能，延长路面使用寿命，应用粗集料单因素骨架密实性检验和贝雷法相结合的研究方法，研究了集料质量分数、粗集料比例（CA）值、关键筛孔通过率对级配骨架的影响。结果表明：兰州辉长岩AC-16粗集料骨架结构的最优配比为5．4（19～16mm）：30．6（16．0～13．2mm）：24（13．2～9．5mm）：40（9．50～4．75mm），优化的骨架集料级配的CA值为0．67。对该级配和常规密级配沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性等路用性能进行了对比研究，证实了优化级配具有更优良的路用性能。     

基于离散元方法的沥青混合料虚拟三轴剪切试验三维模拟

基于离散元方法建立了沥青混合料的细观力学结构模型,并通过虚拟三轴剪切试验,模拟验证了该模型的合理性.首先,开发了基于方孔筛工作机制的粗集料生成算法,建立了不规则形状的颗粒,使得粗集料的形状控制多样化和精确化.然后,将具有实际纵向分布特征的空隙相引入到沥青混合料的细观结构模型中,取代了传统方法中空隙随机分布的处理模式.结合室内试验和虚拟试验,获取了中高温条件下的沥青砂浆接触本构模型参数.虚拟三轴剪切试验的模拟结果以及对沥青混合料抗剪强度的预测结果验证了建立的细观结构力学模型的合理性,离散元虚拟试件产生的剪切破坏和实际试件破坏形态一致,由虚拟试验得到的抗剪强度和实际结果基本吻合.     

基于沥青混合料接触应力测试的旋转压实嵌锁点判定

基于智能颗粒传感器测试旋转压实过程中沥青混合料内部颗粒接触应力，提出了应力变化率指标R_s以及应力嵌锁点（LPS）判定方法。选取AC-13、AC-20与SMA-13这3种沥青混合料，进行旋转压实成型，测试粗集料接触应力，从细观力学角度识别混合料宏观力学嵌锁状态，并与传统基于旋转压实高度变化识别嵌锁点的结果进行对比。结果表明：① 位于试件上部与底部智能颗粒的测试信号存在频谱混叠和谐波干扰，建议将智能颗粒布置于受干扰小的试件中部进行测试；② 对于AC悬浮密实型沥青混合料，存在3个压实阶段：压实初始粗细集料相互接触挤压，R_s快速增大，进入快速压实阶段；随着悬浮在粗骨料周围的细集料与沥青胶结料开始承担荷载，R_s相对减小，进入蠕变阶段；当各组分间形成稳定内部结构，应力达到嵌锁状态；③对于SMA骨架密实型沥青混合料，可分为2个压实阶段：粗集料在初始压实作用下快速形成咬合骨架，并在外荷载作用下接触应力不断增强，进入紧固压实阶段，应力幅值与R_s呈增长趋势；当集料形成稳定骨架受荷结构时，达到应力嵌锁状态；④ SMA-13混合料压实可能会受温度离析影响，在拌和温度170℃条件下，颗粒应力幅值在紧固压实阶段产生波动，并非线性增加；⑤ 与传统基于试件高度变化的嵌锁点判定结果对比，基于R_s判定的LPS均滞后于体积嵌锁点。     

路用改性沥青AC-13混合料的级配优化

采用正交试验设计方法,对特立尼达湖沥青(TLA)的改性沥青AC-13混合料的配合比进行了马歇尔试验研究,采用极差分析方法分析了每个因素水平对混合料的物理-力学性能的影响,提出了优化的TLA改性沥青AC-13混合料级配范围。研究结果表明:影响TLA改性沥青AC-13混合料的毛体积密度、空隙率和沥青饱和度的主要因素是油石质量比;而影响TLA改性沥青AC-13混合料的矿料间隙率、稳定度、流值的主要因素是2.36 mm通过率;采用优化级配的TLA改性沥青AC-13混合料具有优良的高温稳定性、水稳定性、抗渗性和抗滑性,可应用于中国高速公路沥青路面工程中。     

基于图像技术的沥青混合料细观结构研究进展

设计沥青混合料多依据沥青混合料的宏观品质,而沥青混合料的细观结构对宏观性能有着重要影响,基于图像技术的细观研究可深入地解释沥青混合料的路用表现。介绍了数字图像处理技术的定义及利用X-ray CT无损技术获取沥青混合料内部结构的方法,并综述了利用数字图像技术分析沥青混合料内部结构特性,包括集料形状、分布、接触性能及空隙等方面的研究,表明了图像技术研究沥青混合料的可行性。同时,还简要介绍了基于图像处理的沥青混合料细观结构的数值模拟方法,主要讨论了离散元方法和有限元方法的特点。最后提出了目前研究中的几点不足,并展望了沥青混合料细观结构未来的研究方向,为今后沥青混合料的研究提供参考。