基于材料細(xì)觀界面特征的瀝青混凝土試件開裂過程數(shù)值模擬.pdf

1、在實(shí)際使用過程中，瀝青路面有可能產(chǎn)生多種多樣的病害，其中瀝青路面開裂已成為世界各國公路工程共同面臨的重要技術(shù)問題。目前，針對瀝青路面的開裂研究，大多是借助試驗(yàn)方法進(jìn)行的，但鑒于瀝青混凝土這一材料的特殊性，若借助大規(guī)模的試驗(yàn)進(jìn)行瀝青混凝土的斷裂研究，不但耗時耗力，也難以針對瀝青混凝土材料獲取確定的結(jié)果，且路面整體的開裂行為也難以預(yù)測。因此，有必要借助數(shù)值方法建立瀝青混凝土的細(xì)觀斷裂模型，研究瀝青混凝土的斷裂行為。本文從細(xì)觀尺度出發(fā)，并結(jié)合

2、內(nèi)聚力模型研究瀝青混凝土試件裂縫的形成和擴(kuò)展問題，進(jìn)一步探索瀝青混凝土產(chǎn)生裂縫的內(nèi)在機(jī)理，這對于今后瀝青混凝土的設(shè)計(jì)也有一定的指導(dǎo)意義。
　　首先，本文針對二維數(shù)字試件，提出了各粒徑粗集料個數(shù)的確定方法、粗集料不規(guī)則形狀的生成、粗集料隨機(jī)投放算法以及二維數(shù)字試件可視化方法，可表征瀝青混凝土的粗集料級配、粗集料含量、粗集料最大粒徑、粗集料空間分布、空隙大小、空隙率大小、空隙分布等特征;針對三維數(shù)字試件，為簡化考慮，將粗集料看作是球形

3、顆粒，提出了各粒徑粗集料個數(shù)的確定方法、粗集料隨機(jī)投放算法以及粗集料單元與瀝青砂漿單元的區(qū)分算法;結(jié)合粘聚力模型的概念和基本理論，選定了適用于瀝青混凝土材料的雙線性粘聚力模型，推導(dǎo)了粘聚力單元在有限元中的計(jì)算格式;介紹了二維零厚度粘聚力單元嵌入算法和三維零厚度粘聚力單元嵌入算法。
　　其次，進(jìn)行了內(nèi)聚力模型的試驗(yàn)參數(shù)研究，采用一半為瀝青砂漿一半為巖石的復(fù)合試件測定粗集料—瀝青砂漿界面的斷裂能和粘結(jié)強(qiáng)度，采用瀝青砂漿試件測定瀝青砂漿

4、—瀝青砂漿界面的斷裂能和粘結(jié)強(qiáng)度。在進(jìn)行試驗(yàn)材料驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到了瀝青砂漿的級配組成和油石比。通過三點(diǎn)彎曲小梁試驗(yàn)確定了粗集料—瀝青砂漿界面斷裂能為80.82J/m2，瀝青砂漿—瀝青砂漿界面斷裂能為326.91J/m2;通過劈裂試驗(yàn)確定了粗集料—瀝青砂漿界面粘結(jié)強(qiáng)度為為2.87MPa，瀝青砂漿—瀝青砂漿界面粘結(jié)強(qiáng)度為4.33Mpa。
　　再次，在進(jìn)行瀝青混凝土小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，獲取并處理了小梁試件的數(shù)字圖像，將小梁數(shù)

5、字圖像導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行建模，借助“二維零厚度粘聚力單元嵌入程序”在瀝青砂漿—瀝青砂漿界面和粗集料—瀝青砂漿界面上嵌入了兩種零厚度的粘聚力單元，將建好的斷裂模型提交給ABAQUS軟件進(jìn)行計(jì)算，在能量消耗—位移響應(yīng)的基礎(chǔ)上，對比分析了試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的差異，論證了數(shù)值模擬結(jié)果的適用性，并對數(shù)值模擬的斷裂過程進(jìn)行了分析。
　　然后，運(yùn)用二維細(xì)觀斷裂模型并結(jié)合虛擬斷裂試驗(yàn)，主要研究了粗集料特性（粗集料級配、粗集料含量、粗集料

6、最大粒徑、粗集料空間分布、粗集料長短軸比、粗集料長軸取向、粗集料棱角指數(shù)以及粗集料—瀝青砂漿界面參數(shù)）、瀝青砂漿特性（瀝青砂漿—瀝青砂漿界面斷裂能和粘結(jié)強(qiáng)度）和空隙特性（空隙率大小、單個空隙大小和空隙空間分布）等因素對瀝青混凝土小梁試件低溫?cái)嗔研阅艿挠绊?，在此基礎(chǔ)上針對AC-16型瀝青混凝土又進(jìn)行了參數(shù)敏感性綜合分析。
　　最后，創(chuàng)建了三維細(xì)觀斷裂模型，同時將三維模擬結(jié)果與二維模擬結(jié)果作比較，并針對部分細(xì)觀特征進(jìn)行了瀝青混凝土斷裂