基於離散元虛擬試驗的瀝青混凝土疲勞斷裂機理研究

《基於離散元虛擬試驗的瀝青混凝土疲勞斷裂機理研究》是依託河海大學，由陳俊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於離散元虛擬試驗的瀝青混凝土疲勞斷裂機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳俊
• 依託單位：河海大學

項目摘要

瀝青混凝土疲勞性能一直以來都是道路科技工作者研究的熱點。作為一種多相複合材料，混凝土的力學性能在很大程度上取決於集料、瀝青膠漿和空隙的體積含量、分布特徵等細觀結構。但傳統的室內疲勞試驗不能有效體現上述因素，很難從細觀結構角度揭示瀝青混凝土疲勞斷裂的本質特徵。為此，本項目綜合運用離散元方法和圖像處理技術，開展瀝青混凝土虛擬疲勞試驗及其疲勞斷裂機理的研究。研究內容包括運用離散元方法建立考慮集料不規則形狀、級配和體積含量的瀝青混凝土小梁數字試件；建立基於離散元法的小梁四點彎曲虛擬疲勞試驗方法，並與室內疲勞試驗進行對比驗證；採用驗證後的虛擬試驗研究混凝土疲勞斷裂過程中其內部細觀結構的變化運動規律，以及集料分布特徵、形狀特徵、體積含量、空隙大小和分布等細觀結構對混凝土疲勞性能的影響。研究成果不但為瀝青混凝土疲勞性能的研究提供輔助分析手段，對揭示混凝土疲勞斷裂本質特徵亦具有重要的理論價值。

結題摘要

疲勞破壞是瀝青路面的主要損壞型式之一，作為瀝青路面主要組成材料的瀝青混凝土的疲勞性能一直以來都是道路工作者研究的重要課題。考慮到瀝青混凝土為多相複合材料，其疲勞行為既與瀝青膠結料、集料和空隙的體積含量有關，也受到這些因素的空間分布影響，因此，從瀝青混凝土微細觀結構角度研究瀝青混合料疲勞行為具有重要的現實意義。 本研究採用離散元方法，在瀝青混合料離散元模型和計算微觀參數確定的基礎上，建立了瀝青混合料小梁試件的四點彎曲虛擬疲勞試驗方法，並採用虛擬疲勞試驗分析了瀝青混合料的斷裂機理。 首先，依據機率理論，推導了瀝青混合料二維截面上粗集料數量級配的計算式；運用計算機隨機投放技術，在考慮集料不規則形狀和級配特徵的基礎上，編寫了由粗集料和小於2.36mm瀝青砂漿所組成的瀝青混合料二維數字試件生成程式，實現了混合料二維數字試件的生成，並運用圖像處理技術驗證了生成程式的正確性。考慮到集料空間形狀的不規則性，利用離散元三維顆粒流程式PFC3D內的“Fish”語言編寫了集料顆粒生成程式，並建立了可以考慮集料體積百分率、集料級配和空隙特徵的瀝青混合料三維離散元模型。 其次，根據離散元方法中接觸和粘結模型的特點，結合瀝青混合料的力學特徵，為瀝青混合料離散元模型選擇了合適的接觸和粘結模式；根據離散元方法中各微觀參數的物理意義，建立了瀝青混合料巨觀力學性能與各微觀參數的關係，並結合室內巨觀力學性能試驗結果，確定了常用瀝青混合料的各類微觀參數，作為離散元計算的輸入參數。 然後，通過瀝青混合料劈裂試驗和動態蠕變試驗的離散元模擬，比較瀝青混合料二維結構與三維結構在數值計算過程中計算效率和精度的差異，以此選擇二維結構模型進行混合料疲勞試驗模擬；綜合離散元方法和瀝青混合料的材料特點，建立了瀝青混合料小梁的四點彎曲虛擬疲勞試驗方法；運用離散元方法進行了瀝青混合料的一次斷裂模擬和虛擬疲勞試驗，獲得了混合料的斷裂機理，並通過與室內實際試驗結果的比較，驗證了虛擬試驗方法的正確性。 第四，通過圖像處理技術，建立了描述集料扁平率、長軸取向、稜角性和空隙大小、分布的評價指標；並以瀝青混合料虛擬疲勞試驗為基礎，研究了集料和空隙上述微觀結構，以及混合料內集料體積含量、集料粒徑、集料分布特徵等巨觀特徵對瀝青混合料疲勞性能的影響，由此提出了瀝青混合料設計的合理化建議。