基於細觀結構的瀝青混合料抗永久變形性能研究

《基於細觀結構的瀝青混合料抗永久變形性能研究》是依託東南大學，由高英擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於細觀結構的瀝青混合料抗永久變形性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：高英
• 依託單位：東南大學

中文摘要

車轍是瀝青路面主要的病害形式之一。國內外道路工作者對瀝青混合料抗永久變形性能方面的研究多局限在巨觀上探討瀝青混合料在高溫、荷載作用下的變形特性，本課題擬深入到瀝青混合料內部，從瀝青混合料的細觀結構入手，研究集料與瀝青的空間分布，以及此空間結構在高溫荷載作用下發生了如何的變化，而導致了巨觀上瀝青混合料永久變形的產生與發展。本課題首先結合數位相機和CT斷層掃技術再現瀝青與集料的空間分布，建立基於二維幾何特徵的瀝青混合料空間結構重構方法；繼而採用離散元方法虛擬瀝青混合料永久變形試驗，並配合CT掃描研究荷載作用下瀝青混合料空間結構的變形發展；最後，結合試驗與數值計算結果，研究瀝青混合料抗永久變形性能與其細觀結構間的聯繫，從而更好的理解瀝青混合料永久變形發生機理，為改善瀝青混合料高溫穩定性能，解決瀝青路面車轍病害服務。

結題摘要

車轍是瀝青路面主要病害之一，嚴重影響路面行車安全和舒適性。傳統的連續均質的分析方法難以體現瀝青混合料中集料的離散特性。瀝青混合料作為多相複合材料，其力學特性與集料、瀝青砂漿及空隙的體積含量、空間分布及細觀結構息息相關。項目通過建立瀝青混合料細觀力學模型，虛擬永久變形試驗，從細觀結構層次分析瀝青混合料的永久變形行為。 首先，考慮粗集料顆粒的不規則形狀，編寫三維不規則多面體形狀集料的生成算法，生成各檔粒徑。利用X-ray CT掃描及數字圖像處理技術，生成滿足級配特徵、考慮了粗集料不規則形狀、尺寸與空隙滿足一定分布狀態的瀝青混合料三維離散元數字試件，並與真實試件進行對比驗證。 其次，分析瀝青混合料內部各相組成材料之間的接觸行為，建立了微觀接觸模型參數與巨觀試驗參數的關係，並通過室內試驗確定了相應的微觀參數。採用離散元軟體PFC3D，建立了瀝青混合料三維虛擬單軸靜態蠕變試驗和重複荷載蠕變試驗方法，分析了虛擬試驗結果的變異性，並通過室內試驗進行了驗證。提出了基於時溫等效原理的三維單軸靜態蠕變試驗和重複荷載蠕變試驗的計算效率最佳化方法，大幅減少三維離散元粘彈性模型的計算時間。在虛擬蠕變試驗基礎上分析了虛擬試件內部接觸力和位移的分布變化及蠕變行為的影響因素。 再次，通過瀝青混合料三維虛擬試件生成方法，生成了三維瀝青混合料虛擬車轍試件，建立了虛擬車轍試驗方法。在虛擬車轍試驗基礎上分析了車轍試驗過程中瀝青混合料內部接觸力的分布及變化、位移分布、粗集料空間運動軌跡、粗集料轉動情況及粗集料接觸狀態的變化，一定程度上從細觀角度揭示了瀝青混合料車轍形成機理。 最後，通過虛擬單軸蠕變試驗和虛擬車轍試驗方法，對集料的巨觀特徵（粗集料含量和集料分布特徵）、集料的細觀結構（稜角性、長軸取向及表面紋理）和空隙的細觀結構（單個空隙的大小、空隙分布及空隙取向）對瀝青混合料的高溫永久變形性能的影響進行了分析，提出了提高瀝青混合料高溫穩定性的合理化建議。