基于粗集料形状特征的沥青混合料三维数字试件生成

为了准确地模拟沥青混合料相关试验,节省集料和试验设备等方面的成本,通过离散单元法模拟生成沥青混合料三维数字试件.采用中心球扩散方法构建出粗集料的扁平比与棱角性,通过调节不同粗集料模型的百分比来获得和实际相近的粗集料形状组合,并用一定质量的虚拟粗集料"clump"球体块取代同样质量的等效球体来表征粗集料级配特征,通过删除砂浆球体单元来模拟出空隙率特征,最终建立沥青混合料三维离散元模型.研究表明,沥青混合料三维数字试件可以很好地模拟粗集料的三维空间形状,准确表征粗集料的扁平比与棱角性特性,同时能够精确显示粗集料的级配特点与空隙分布,达到以虚拟试件代替真实试件进行试验的目的.     

压剪耦合条件下沥青-集料界面粘脱滑移特征行为研究

为探求沥青与集料界面间的压剪断裂失效机制,在研发测试加载系统及分析原材料基本物性参数的基础上,通过制作沥青-集料三明治试件,开展了不同影响因素(集料粗糙度、沥青老化、环境温度及加载速率等)下沥青-集料界面的粘脱滑移特征行为研究,定量感知了沥青-集料界面的应力传荷与粘脱滑移过程,构建了沥青-集料界面的粘脱滑移本构模型.结果表明:增大粗糙度和法向应力与加快荷载速率能够提升界面抗剪能力与剪切抑制能;沥青老化在一定程度上能够提高界面抗剪强度,但降低了界面剪切抑制能;所构建的粘脱滑移本构模型能够表征沥青-集料界面在压剪耦合状态下应力变化三阶段特征.研究成果可为沥青混合料复杂力学行为的细观分析提供理论支撑,并为混合料结构参数的优化设计提供科学依据.     

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.     

基于真实细观尺度的沥青混合料三维重构算法

利用X-ray CT扫描沥青混合料试样,获取混合料内部真实细观结构的CT图像。重点对沥青混合料的三维重构算法进行研究,提出实现三维重构的关键:像素单元体与节点匹配技术。通过构建像素单元体和节点的三维空间维度以及相互逻辑匹配关系,建立初步的三维数值模型,在此基础上,采用指针扫描对数值模型中的混合料单元体进行提取,同时按照空间实际分布形态准确分割出混合料中的集料、砂胶和空隙。     

基于内聚力模型的沥青混凝土低温断裂模拟

为模拟沥青混凝土的低温断裂行为,合理选择了内聚力本构模型;在获取了小梁试件数字图像的基础上,结合ABAQUS有限元软件建立了二维细观断裂模型,验证了模型的正确性和适用性。结果表明:本文建立的二维细观断裂模型能够很好的反映实际三点弯曲试验的能量消耗—位移响应;沥青混凝土断裂过程可分为试件损伤、裂缝产生、裂缝扩展和试件破坏等四个阶段。     

沥青混合料三维离散元虚拟单轴蠕变试验

为了从沥青混合料不连续特征的角度研究其永久变形行为,采用离散元方法进行了沥青混合料三维离散元虚拟单轴蠕变试验,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,并采用基于时温等效原理的方法对粘弹性离散元模型的计算效率进行了优化,最后将三维虚拟试验结果与二维虚拟试验及室内试验结果进行了比较.研究表明:时温等效原理能够大大减少粘弹性离散元模型的计算时间;三维虚拟试验结果与室内试验结果相差无几,二维虚拟试验结果大于三维虚拟试验及室内试验结果,且随着荷载的增大差异也随之增大.     

AC-13C沥青混合料劈裂疲劳损伤试验二维数值模拟

沥青混合料受非均匀性细观结构影响,其刚、强度力学特性易发生变化,为分析受细观结构影响的沥青混合料力学疲劳损伤特性,本研究从细观尺度出发,结合室内劈裂试验结果,利用有限元软件建立二维数值模型分析沥青混合料的力学与疲劳损伤特性。结果表明:在沥青混合料疲劳损伤过程中,粗集料尖角附近应力集中现象明显,疲劳损伤往往先在粗集料尖角处发生;AC-13C数值模型应充分考虑2.36 mm以上的粗集料,并在细观尺度上说明2.36 mm作为AC-13C粗细集料分界线的可行性。     

基于离散元法的沥青混合料复合断裂行为研究

为了从细观角度深入分析沥青混合料复合断裂机理,基于沥青混合料细观结构特征,将材料分为粗集料、沥青砂浆和空隙3个组分,确定宏、细观接触模型参数的转换关系,构建具有细观特征的离散元模型;通过室内试验的结果验证了虚拟模型参数设置的合理性;基于数值模型进行不同预裂缝位置的三点弯曲梁试验,并对试件的裂缝扩展、应力水平和颗粒位移进行分析.结果表明:控制裂缝路径的主要因素是断裂模式,其次是集料与裂缝的相对位置,主裂缝扩展角较好地符合最大周向应力准则;随着Ⅱ型开裂比例的增加,沥青混合料断裂过程区的宽度变小,裂缝尖端主应力水平降低,软化特征逐渐减弱;裂缝两侧的位移随着预裂缝的偏移逐渐增大,试件趋于脆性破坏.     

基于X—rayCT的沥青混合料三维重构方法

沥青混合料内部的细微观结构对沥青混合料的路用性能有很大的影响,很有必要开发一种可以进行沥青混合料内部结构受力状况分析的三维重构模型。基于X-rayCT技术,每隔1rrlrn获取沥青混合料试件断层图像,共64张。将控制集料、砂浆、空隙三者之间的阈值进行物质的区分。利用Matlab自编程序完成沥青混合料的三维重构,并提出了一种获取沥青砂浆黏弹性参数的方法。用该模型进行数值模拟后的试验结果与室内试验结果有很好的吻合,验证了本重构方法的正确性。     

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.     

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.     

基于离散单元法的环氧沥青混凝土虚拟断裂试验研究

为明晰环氧沥青混凝土的断裂力学行为特征,基于数字图像处理技术,采用离散元方法建立了切口小梁二维模型,开展了环氧沥青混凝土的虚拟弯曲断裂试验.从细观角度分析了环氧沥青混凝土断裂过程中的力学响应,探讨了其断裂机理及裂纹扩展路径,并与室内试验结果进行了对比.结果表明,采用离散元方法可较好地反映环氧沥青混凝土的断裂力学特性,数值模拟过程中虚拟试件的力学响应与理论结果相符.虚拟试验获取的材料强度参数与室内试验的测试结果接近,误差仅为0.25%,但前者所得的劲度模量因破坏挠度偏大,较后者低16.56%.在裂纹扩展过程中,破坏易产生于黏结较为薄弱的集料-砂浆界面.虚拟试验与室内试验的对比分析结果验证了离散元模型以及参数取值的正确性.     

基于三维离散元法的沥青混合料断裂过程模拟

为了从材料细观结构角度研究沥青混凝土的断裂机理,运用离散元程序PFC3D内的"Fish"语言,采用多球相互重叠的方法描述粗集料颗粒的空间不规则形状,结合集料颗粒的随机投放算法和离散元的空隙处理方法,建立了沥青混凝土小梁试件的三维离散元模型;通过室内沥青砂浆单轴压缩试验和劈裂试验,并结合宏观性能与微观力学参数的转化关系,获得了用于离散元模拟的各类微观参数;采用三维离散元程序PFC3D,进行了-10℃和15℃条件下小梁中点弯曲断裂试验的离散元模拟,获得了弯曲断裂曲线;采用与混合料三维离散元结构相同沥青用量、空隙率和级配在室内成型了沥青混合料的小梁试件,并获得了室内实测断裂曲线.研究结果表明:所建立的离散元模型可以充分考虑集料颗粒的不规则形状、集料级配特征和空隙大小;三维离散元方法可以较好地模拟沥青混合料弯曲断裂过程中裂纹起始和扩展的现象,模拟结果与室内实测结果基本相当;三维离散元模拟可以作为研究沥青混合料断裂特征的辅助手段.     

基于离散元的蓄盐沥青混合料低温劈裂试验分析

为了对比探究蓄盐沥青混合料低温劈裂下的细观特性,在室内劈裂试验的基础上,基于离散元随机生成算法,按照室内试验相应的级配比例和试验参数,分别构建了蓄盐沥青混合料和普通沥青混合料数学模型,并进行了数值模拟试验。通过改变粗集料形态、摩擦因数以及试件空隙率时,在细观层面对其劈裂强度、裂纹类型及数量等方面进行了对比分析。实验表明：普通沥青混合料的劈裂强度明显高于蓄盐沥青混合料,且裂纹数目相对较少;当粗集料形态在中值时,可以获得较大的劈裂强度值,此时,其摩擦因数对混合料的劈裂强度影响不大,而且,随着空隙率的减小,劈裂强度还会有所提高。宏观和细观试验研究认为：添加蓄盐材料后对混合料的低温抗裂性能会有一定劣化影响;沥青混合料的空隙率与劈裂强度为负相关,而集料的摩擦因数对劈裂强度没有显著影响。当沥青混合料中集料的形态和空隙率适当时,可以获得较好的低温性能。研究成果对于融雪路面的推广和应用具有实际意义。     

沥青-集料界面断裂能的测试方法与影响因素

表面脱粒是沥青路面常见病害之一，会对沥青路面的耐久性和路用性能产生极大不利影响。为解决沥青路面脱粒预测和敏感性分析所需要的沥青-集料界面断裂能实测问题，本研究提出了摆式冲击试验的测试方法，通过对“集料-沥青-集料”试件施加横向剪切冲击荷载，使得沥青与集料界面发生破坏并测试其断裂能。研究中对温度、沥青种类、集料类型、水、矿粉等因素对沥青-集料界面断裂能的影响进行了分析，结果表明：沥青-集料界面断裂能可作为评价沥青-集料界面性能的指标，综合体现了沥青-集料粘附性能和沥青内聚性能，以及不同温度、荷载条件作用下沥青-集料界面的力学特性；温度对沥青-集料界面断裂能影响较大，随着温度升高沥青-集料界面断裂能呈现先上升后下降的趋势，且沥青与集料粘附性能逐渐提高，沥青内聚性能逐渐降低；SBS改性沥青和高粘改性沥青与集料的界面断裂能明显大于基质沥青，但两种改性沥青与集料的界面断裂能除峰值外差异不显著；集料类型对沥青-集料界面断裂能的影响不具有显著规律；在各个温度下水都会使沥青-集料界面断裂能发生衰减；在沥青中加入矿粉会使界面断裂能下降，基于沥青混合料性能的最佳粉胶比范围，并不一定对沥青-集料界面性能起到...     

沥青混合料断裂-微波自愈合影响因素分析

为分析沥青混合料断裂-微波自愈合性能的影响因素,分别对沥青材料和集料进行微波加热试验,采用70#基质沥青和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene, SBS)改性沥青,制备AC-13型半圆试件,通过半圆弯曲试验和微波加热对试件进行断裂-愈合-断裂试验,以愈合前和愈合后加载试验的抗拉强度比值作为愈合指数(H),分析了沥青混合料微波加热行为以及损伤程度、微波强度、加热时间对自愈合性能的影响。结果表明:微波主要作用于矿质集料,并通过集料颗粒升温传热实现混合料整体升温;微波强度对沥青混合料自愈合性能的影响最为显著,其次是加热时间,随微波强度、加热时间的增长,混合料自愈合能力增强;损伤程度对自愈合性能有不利影响,但影响程度较弱。     

基于沥青混合料三维数值试样的非均匀性分析

为了从三维细观尺度评价沥青混合料在荷载作用下的非均匀性，利用X-ray CT扫描沥青混合料试样，获取试样内部的精确三维细观结构，根据三维重构原理开发程序并建立了与混合料试样内部空间实际分布形态一致的三维数值试样，分别赋予集料、砂胶和空隙不同的材料属性，进行低温、快速加载条件下的间接拉伸虚拟仿真．结果表明：与基于三维均质体试样的数值模拟相比，三维数值试样内部的应力和应变分布都完全呈现不均匀状态，与实际试验状态更一致；有空隙时的平均应力集中因子（2．78）明显大于无空隙时的平均应力集中因子（1．42），表明空隙的存在明显增加了试样受荷载作用下的应力集中，该方法克服了传统数值模拟无法考虑各因素空间分布影响的局限性．     

沥青混合料材料结构数字图像技术的基本方法

利用数字图像技术获取沥青混合料内部结构组成,分析体积参数,进而完成沥青混合料的计算机辅助设计的研究已成为沥青路面技术领域的热点.文中重点介绍了笔者及所在团队基于二维数字图像技术的沥青混合料体积组成的统计学研究、沥青混合料数字图像技术中差异性物质的辨识方法、基于数字图像处理技术的粗集料形态特征的提取和沥青混合料内部结构组成的三维图像重构及虚拟力学试验等方面的研究进展.同时介绍了这些研究成果在工业中应用的实例.     

环氧沥青混凝土裂纹发展的三维可视化离散元模拟

为了在三维尺度下描述环氧沥青混凝土的裂纹发展行为,运用离散元程序PFC3D内置"Fish"语言,重构了环氧沥青混凝土非均质(集料、砂浆和空隙)多层次(矿料级配)结构三维虚拟试件,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三点弯曲试验,追踪并演示了微观裂纹的衍生发展全过程,并与室内数字摄像法捕捉的试件表面裂纹发展进行对比.研究结果表明: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,且虚拟试验结果的稳定性更优;三维离散元方法可以较好地模拟环氧沥青混凝土弯曲断裂过程中裂纹起裂与扩展行为,弥补了二维方法部分缺陷;基于离散元程序的追踪裂纹三维发展的模拟方法,可以作为研究沥青混凝土材料断裂特征的辅助手段.     

基于离散元法与分形维数的沥青混合料间接拉伸试验

为掌握沥青混凝土内部损伤的演化过程及其裂缝扩展规律,首先在MTS万能试验机上进行沥青混合料间接拉伸试验,获取试验过程中的力、位移和时间参数;同时采用工业CT设备扫描试验前、后的试件,并通过灰度化、图像增强和阈值分割等数字图像处理技术,提取沥青胶砂、粗集料和空隙等组成部分信息;然后,基于所提取的信息建立离散元模型,进行间接拉伸仿真试验,观察试件裂缝的扩展过程,并采集仿真试验过程中的荷载、位移及单元颗粒间连接断裂数量N_(cb)等参数;最后,对比分析了室内试验和仿真试验的荷载-位移曲线特点;并基于N_(cb)提出了内部损伤度D_m,基于试件整体的裂缝图像提出了计盒维数指标D_c,分析了损伤度与裂缝扩展的关系。研究结果表明:室内试验与仿真试验的间接拉伸强度接近、荷载-位移曲线变化趋势相同且裂缝分布规律相似,验证了仿真试验的可行性。裂缝的扩展可分为萌生、扩展、贯通和贯通后4个阶段。在萌生和扩展阶段,细观损伤度D_m较低,而在贯通阶段较高。计盒维数D_c与裂缝扩展也密切相关,D_c在裂缝扩展的各阶段内单调变化且规律明显。因此,可利用计盒维数D_c对CT扫描得到试件的裂缝特征进行定量评价,确定裂缝的扩展程度,并基于裂缝与损伤的联系间接评价沥青混凝土内部损伤。该研究为沥青路面损伤评价提供了新的思路,即可根据路面裂缝状况评价其损伤程度。