《砂碎石基因組多尺度試驗和模擬》是依託北京科技大學，由汪林兵擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：砂碎石基因組多尺度試驗和模擬
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：汪林兵
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
骨料是路面結構關鍵材料，其形狀特徵和力學性能與其礦物構成和晶體結構息息相關。本項目針對現有礦物成分和晶體結構對骨料形狀特徵和力學性能的影響機理認識不清、缺乏對岩石在物理風化作用下破壞演化過程的深入理解及骨料摩擦和磨損等力學性能的評價指標單一的問題，提出以下研究方法：（1）根據電子顯微鏡掃描對骨料進行三維重構，建立多尺度模型，分析礦物成分和晶體結構對骨料的形狀特徵和力學性能的影響機理，回歸相關物理力學參數的對應關係；（2）採用破碎試驗和Micro-Deval試驗模擬岩石在自然的物理風化作用下轉變為骨料和砂土的演化過程並進行多尺度模擬分析，根據試驗結果驗證數值模擬的可靠性和提出岩石和骨料力學性能的衰退模式；（3）從多尺度分析骨料的摩擦和磨損等力學性能在多影響因素下的演化規律，提出評價骨料的力學性能的多項指標，建立相應的可靠度理論，從而為瀝青混凝土和水泥混凝土強度設計理論提供理論基礎和方法支撐。
結題摘要
集料的礦物成分、顆粒形狀和表面微觀形貌是影響集料抗磨性能的主要因素（或基因），對集料的服役性能產生重要影響。研究選用石英岩、片麻岩、紅砂岩、玄武岩、石灰岩、輝綠岩6種不同集料，採用TEM試驗、SEM試驗、XRD試驗、X-CT掃描試驗、狄法爾磨耗試驗、磨光試驗、壓碎值試驗等多尺度試驗手段，結合分子動力學和有限元模擬方法，從巨觀和微觀兩個尺度開展集料抗磨性能的分析和模擬研究，為岩土工程和採礦工程的設計、施工和維護提供理論分析和技術基礎。 在巨觀尺度上，採用改進的狄法爾磨耗試驗模擬集料物理分化成砂土的過程，發現集料的磨耗值增長規律符合幾何級數增長；採用IPP軟體對碎石、砂粒進行圖像分析，獲得碎石二維顆粒信息，揭示了集料逐漸破碎成砂的過程。採用壓碎值試驗，測定了不同集料的抗壓碎能力；採用加速磨光試驗測定了不同集料抵抗輪胎磨光作用的能力,並進行集料不同性能指標的相關性分析，提出了集料抗磨光-磨耗性能的綜合評價方法。開展了不同集料砂樣和粉樣的直剪試驗，獲得內摩擦角和粘聚力參數特性。藉助X-CT掃描試驗結果，進行集料三維模型重構和特徵分析，提出三維模型評價指標體系,為集料的最佳化選擇提供依據。採用ABAQUS軟體模擬了集料的狄法爾磨耗試驗過程，採用ANSYS軟體開展了輪胎路面接觸模型分析，模擬了瀝青路面粗集料的疲勞壽命，並開展了瀝青路面巨觀構造三維評價方法分析，為集料抗磨性能評價提供了新的思路。 在微觀尺度上，結合SEM試驗和分形理論，獲得了不同磨耗集料的表面微觀形貌特性；使用光學表面輪廓儀進行了集料微觀構造形貌參數與抗滑性能的相關性分析；利用能譜分析確定了岩樣的化學元素成分及其相對含量，採用XRD試驗進行集料的物相分析，分析不同礦物成分對集料抗磨性能的影響。通過灰色關聯分析等理論方法，發現礦物成分的差異是造成岩石集料抗磨性能差異的主要影響因素。選用不同的氧化物構建單一集料模型，選用白雲石、石英、滑石三種礦物成分構建了複雜石灰岩集料模型，採用分子動力學模擬的方法模擬了不同集料在Fe球作用下的微觀磨耗性能，發現：不同氧化物的抗磨性能從高到底依次是SiO2 > MgO > Na2O > CaO，SiO2在高溫下更容易被磨耗。研究模擬了砂顆粒材料的自然靜止和滾動過程，獲得了砂材料的天然休止角和摩擦係數，分析了砂在不同壓力作用下的力學性能變化，揭示了微觀尺度下砂材料的直剪破壞機理。
