基于顆粒物質(zhì)力學(xué)的瀝青混合料細(xì)觀特性研究.pdf

1、目前,對(duì)瀝青混合料的研究主要集中于借助基于現(xiàn)象學(xué)的經(jīng)驗(yàn)方法和室內(nèi)試驗(yàn),常用的連續(xù)介質(zhì)模型適用于密集顆粒系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)條件下分析和研究系統(tǒng)內(nèi)部的力學(xué)特性,該模型并未考慮系統(tǒng)內(nèi)各組成介質(zhì)的尺寸效應(yīng)。因此,基于連續(xù)介質(zhì)方法和模型在分析由復(fù)合材料組成的瀝青混合料時(shí)無(wú)法揭示細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系。然而,細(xì)觀力學(xué)方法采用多尺度力學(xué)理論研究非均勻介質(zhì),并且瀝青混合料在材料組成上屬于顆粒物質(zhì)材料,大量的試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)顆粒物質(zhì)體系具有對(duì)外界荷

2、載的敏感性、非線性響應(yīng)、自組織行為等精細(xì)力學(xué)特性,與連續(xù)介質(zhì)理論和宏觀表象結(jié)果存在本質(zhì)區(qū)別。鑒于上述結(jié)果,使得借助細(xì)觀力學(xué)方法和顆粒物質(zhì)力學(xué),構(gòu)建瀝青混合料的細(xì)觀模型,并用于研究瀝青混合料的細(xì)觀響應(yīng)有據(jù)可循。
　　本文以瀝青混合料的細(xì)觀特性為主線,分析了荷載作用下集料、混合料結(jié)構(gòu)的力鏈分布特征分析,構(gòu)建瀝青混合料數(shù)字試件進(jìn)行間接拉伸試驗(yàn)的數(shù)值模擬,分析了瀝青混合料細(xì)觀力學(xué)特性的影響因素和試件內(nèi)部的力鏈分布;挖掘?yàn)r青混合料試件內(nèi)部結(jié)

3、構(gòu),測(cè)定瀝青混合料和砂漿的動(dòng)態(tài)指標(biāo),為構(gòu)建瀝青混合料的細(xì)觀模型提供細(xì)觀粘彈性參數(shù);監(jiān)測(cè)試件內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間的變化,追蹤加載過(guò)程中各相組分內(nèi)部顆粒間接觸力力鏈、位移場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布隨時(shí)間的演化,闡釋集料與砂漿界面處的相互作用,以及內(nèi)部組成與外部荷載、變形的關(guān)系。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)借助針對(duì)顆粒物質(zhì)的光彈性應(yīng)力試驗(yàn)和壓痕試驗(yàn)分別檢測(cè)集料顆粒間的力鏈,獲取力鏈的分布規(guī)律;
　　(2)基于離散元方法構(gòu)

4、建集料、混合料的細(xì)觀模型,通過(guò)數(shù)值模擬得到相應(yīng)的力鏈場(chǎng)和位移場(chǎng),并構(gòu)建瀝青混合料數(shù)字試件,分析伺服加載條件下瀝青混合料細(xì)觀力學(xué)特性的影響因素和試件內(nèi)部的力鏈演化;
　　(3)以SGC(Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí))成型瀝青混合料試件、以靜壓成型瀝青砂漿試件,分別進(jìn)行簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)(Simple Performance Test,SPT),測(cè)定不同溫度、頻率瀝青混合料和瀝青砂漿的動(dòng)態(tài)模量和相位角;
　　(4)切割SGC成型的瀝青混

5、合料試件,對(duì)獲取的截面圖像進(jìn)行圖像處理,把二維圖像導(dǎo)入離散元軟件中生成瀝青混合料的數(shù)字試件,對(duì)試件施加半正弦荷載進(jìn)行SPT試驗(yàn)的數(shù)值模擬,對(duì)比分析模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果動(dòng)態(tài)模量和相位角的差異,追蹤試件內(nèi)部的力鏈演化,以及各相組分的位移場(chǎng)和速度場(chǎng)隨時(shí)間的變化。
　　通過(guò)對(duì)上述內(nèi)容的研究,可得到如下的結(jié)論:
　　(1)光彈性應(yīng)力試驗(yàn)中,顆粒接觸處越亮,接觸應(yīng)力越大。對(duì)于豎向加載的規(guī)則排列的結(jié)構(gòu),僅形成力的豎向傳遞路徑,錯(cuò)落排列結(jié)構(gòu)的

6、內(nèi)部顆粒間存在四個(gè)傳力點(diǎn),而在水平方向,兩種結(jié)構(gòu)基本不存在接觸力的傳遞;
　　(2)壓痕試驗(yàn)中,接觸力力鏈的概率分布先增大后減小,并出現(xiàn)明顯的概率峰值,峰值后的力鏈分布以負(fù)指數(shù)形式衰減;
　　(3)對(duì)于有側(cè)向約束的集料細(xì)觀結(jié)構(gòu),力鏈網(wǎng)絡(luò)呈左右對(duì)稱分布,顆粒間僅形成法向接觸力,與光彈性應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果一致,上層顆粒Y向位移較大,隨著深度的增大位移減小;
　　(4)對(duì)于無(wú)側(cè)向約束的混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu),規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生壓力力鏈,

7、錯(cuò)落排列的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的接觸力主要為壓力,拉力區(qū)域比較分散,主要位于結(jié)構(gòu)的中下部,呈不對(duì)稱分布,上層顆粒位移較大,隨著深度的增大位移減小;
　　(5)瀝青性質(zhì)對(duì)瀝青混合料細(xì)觀響應(yīng)的影響方面,粘結(jié)剛度比增大,應(yīng)力峰值和劈裂強(qiáng)度均增大,配位數(shù)變化較小,隨著粘結(jié)強(qiáng)度比的增大,應(yīng)力峰值、劈裂強(qiáng)度減小,配位數(shù)變化較小,粘結(jié)強(qiáng)度比對(duì)劈裂強(qiáng)度、配位數(shù)和微裂縫的影響大于粘結(jié)剛度比;
　　(6)集料性質(zhì)對(duì)瀝青混合料細(xì)觀響應(yīng)的影響方面,摩擦系數(shù)越

8、大,峰值應(yīng)力、劈裂強(qiáng)度越大,配位數(shù)減小,產(chǎn)生的微裂縫數(shù)增加;
　　(7)加載條件對(duì)瀝青混合料細(xì)觀響應(yīng)的影響方面,加載速率增大,應(yīng)力峰值、劈裂強(qiáng)度增大,配位數(shù)減小,顆粒間的接觸力變大,接觸力力鏈網(wǎng)絡(luò)中的強(qiáng)力鏈傳遞較大的應(yīng)力,延伸方向平行于與最大主應(yīng)力方向,位移主要沿加載方向向兩側(cè)移動(dòng);
　　(8)隨著油石比的增加,瀝青混合料、瀝青砂漿的動(dòng)態(tài)模量減小,相位角增大,隨著溫度的升高,動(dòng)態(tài)模量減小,相位角增大;
　　(9)動(dòng)態(tài)模

9、量和相位角的實(shí)測(cè)值和模擬值相差不大;
　　(10)集料內(nèi)部的力鏈表現(xiàn)為壓力力鏈,砂漿和集料/砂漿界面處的力鏈包含壓力和拉力力鏈,且以壓力為主,其中強(qiáng)力鏈均為壓力力鏈,方向沿豎直方向,弱力鏈為較小的壓力力鏈和拉力力鏈,方向分散性較大;
　　(11)隨著加載時(shí)間的增加,集料和砂漿的最大位移逐漸增大,但兩者差異較小,砂漿的位移稍大于集料,位移由上至下逐漸減小,加載初始階段,集料和砂漿的速度均較大,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),速度逐漸增大,但砂