基于材料细观界面特征的沥青混凝土试件开裂过程数值模拟

摘要

在实际使用过程中，沥青路面有可能产生多种多样的病害，其中沥青路面开裂已成为世界各国公路工程共同面临的重要技术问题。目前，针对沥青路面的开裂研究，大多是借助试验方法进行的，但鉴于沥青混凝土这一材料的特殊性，若借助大规模的试验进行沥青混凝土的断裂研究，不但耗时耗力，也难以针对沥青混凝土材料获取确定的结果，且路面整体的开裂行为也难以预测。因此，有必要借助数值方法建立沥青混凝土的细观断裂模型，研究沥青混凝土的断裂行为。本文从细观尺度出发，并结合内聚力模型研究沥青混凝土试件裂缝的形成和扩展问题，进一步探索沥青混凝土产生裂缝的内在机理，这对于今后沥青混凝土的设计也有一定的指导意义。
　　首先，本文针对二维数字试件，提出了各粒径粗集料个数的确定方法、粗集料不规则形状的生成、粗集料随机投放算法以及二维数字试件可视化方法，可表征沥青混凝土的粗集料级配、粗集料含量、粗集料最大粒径、粗集料空间分布、空隙大小、空隙率大小、空隙分布等特征;针对三维数字试件，为简化考虑，将粗集料看作是球形颗粒，提出了各粒径粗集料个数的确定方法、粗集料随机投放算法以及粗集料单元与沥青砂浆单元的区分算法;结合粘聚力模型的概念和基本理论，选定了适用于沥青混凝土材料的双线性粘聚力模型，推导了粘聚力单元在有限元中的计算格式;介绍了二维零厚度粘聚力单元嵌入算法和三维零厚度粘聚力单元嵌入算法。
　　其次，进行了内聚力模型的试验参数研究，采用一半为沥青砂浆一半为岩石的复合试件测定粗集料—沥青砂浆界面的断裂能和粘结强度，采用沥青砂浆试件测定沥青砂浆—沥青砂浆界面的断裂能和粘结强度。在进行试验材料验证的基础上，计算得到了沥青砂浆的级配组成和油石比。通过三点弯曲小梁试验确定了粗集料—沥青砂浆界面断裂能为80.82J/m2，沥青砂浆—沥青砂浆界面断裂能为326.91J/m2;通过劈裂试验确定了粗集料—沥青砂浆界面粘结强度为为2.87MPa，沥青砂浆—沥青砂浆界面粘结强度为4.33Mpa。
　　再次，在进行沥青混凝土小梁三点弯曲试验的基础上，获取并处理了小梁试件的数字图像，将小梁数字图像导入ABAQUS软件进行建模，借助“二维零厚度粘聚力单元嵌入程序”在沥青砂浆—沥青砂浆界面和粗集料—沥青砂浆界面上嵌入了两种零厚度的粘聚力单元，将建好的断裂模型提交给ABAQUS软件进行计算，在能量消耗—位移响应的基础上，对比分析了试验结果和数值模拟结果的差异，论证了数值模拟结果的适用性，并对数值模拟的断裂过程进行了分析。
　　然后，运用二维细观断裂模型并结合虚拟断裂试验，主要研究了粗集料特性（粗集料级配、粗集料含量、粗集料最大粒径、粗集料空间分布、粗集料长短轴比、粗集料长轴取向、粗集料棱角指数以及粗集料—沥青砂浆界面参数）、沥青砂浆特性（沥青砂浆—沥青砂浆界面断裂能和粘结强度）和空隙特性（空隙率大小、单个空隙大小和空隙空间分布）等因素对沥青混凝土小梁试件低温断裂性能的影响，在此基础上针对AC-16型沥青混凝土又进行了参数敏感性综合分析。
　　最后，创建了三维细观断裂模型，同时将三维模拟结果与二维模拟结果作比较，并针对部分细观特征进行了沥青混凝土断裂性能的参数敏感性分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 沥青混凝土开裂行为研究现状

1．2．2 沥青混凝土细观力学研究现状

1．2．3 沥青混凝土内聚力模型应用现状

1．2．4 目前研究存在的问题

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 沥青混凝土细观断裂模型研究

2．1 二维数字试件生成

2．1．1 各粒径粗集料个数的确定

2．1．2 粗集料不规则形状的生成与粗集料随机投放

2．1．3 二维数字试件可视化

2．2 三维数字试件生成

2．2．1 各粒径粗集料个数的确定

2．2．2 粗集料随机投放

2．2．3 粗集料单元与沥青砂浆单元的区分

2．3 粘聚力模型

2．3．1 CZM概念

2．3．2 本构模型

2．3．3 内聚力单元‘

2．4 细观断裂模型

2．4．1 二维零厚度粘聚力单元嵌入算法

2．4．2 三维零厚度粘聚力单元嵌入算法

2．5 本章小结

第三章 内聚力模型参数试验研究

3．1 试验概况

3．1．1 试验材料

3．1．2 试件制作

3．1．3 试验方法

3．2 试验结果与分析

3．2．1 三点弯曲梁试验

3．2．2 劈裂试验

3．3 本章小结

第四章 二维沥青混凝土细观断裂模型验证与分析

4．1 数字图像的获取及处理

4．1．1 沥青混凝土小梁数字图像的获取

4．1．2 沥青混凝土小梁数字图像的处理

4．2 二维沥青混凝土细观断裂模型建立

4．3 二维细观断裂模型的验证与分析

4．3．1 二维细观断裂模型的对比验证

4．3．2 二维细观断裂模型断裂过程分析

4．4 本章小结

第五章 二维沥青混凝土试件抗裂性能参数敏感性分析

5．1 粗集料特性对沥青混凝土断裂性能的影响

5．1．1 粗集料级配对断裂性能的影响

5．1．2 粗集料含量对断裂性能的影响

5．1．3 粗集料最大粒径对断裂性能的影响

5．1．4 粗集料空间分布对断裂性能的影响

5．1．5 粗集料长短轴比对断裂性能的影响

5．1．6 粗集料长轴取向对断裂性能的影响

5．1．7 粗集料棱角指数对断裂性能的影响

5．1．8 粗集料—沥青砂浆界面参数对断裂性能的影响

5．2 沥青砂浆特性对沥青混凝土断裂性能的影响

5．3 空隙特性对沥青混凝土断裂性能的影响

5．3．1 空隙率对断裂性能的影响

5．3．2 空隙大小对断裂性能的影响

5．3．3 空隙分布特征对断裂性能的影响

5．4 参数敏感性综合分析

5．5 本章小结

第六章 三维沥青混凝土细观断裂模型研究及分析

6．1 三维有限元模型细观断裂模型研究

6．2 三维沥青混凝土小梁试件的断裂模拟

6．2．1 三维沥青混凝土小梁试件断裂过程分析

6．2．2 与二维沥青混凝土小梁试件断裂的比较

6．3 三维沥青混凝土断裂影响因素分析

6．3．1 粗集料级配对断裂性能的影响

6．3．2 粗集料体积含量对断裂性能的影响

6．3．3 粗集料最大粒径对断裂性能的影响

6．3．4 粗集料空间分布对断裂性能的影响

6．3．5 粗集料—沥青砂浆界面参数对断裂性能的影响

6．3．6 沥青砂浆—沥青砂浆界面参数对断裂性能的影响

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究成果

7．2 主要创新点

7．3 研究展望

致谢

参考文献

附录