SMA粗集料骨架結構的細觀力學模型研究.pdf

1、瀝青混合料由離散剛體和連續(xù)粘性膠結介質(zhì)組成，為典型的多相復合體材料。從宏觀角度看，瀝青混合料對外荷載的響應呈非線性，為固體與粘彈塑性體的聯(lián)合響應，而且瀝青膠結體的粘彈塑性對溫度非常敏感，所以該復合材料的性質(zhì)十分復雜。從微觀角度看，瀝青混合料以粗細集料顆粒作為剛性固體、瀝青材料為膠結體，并且集料體積約占瀝青混合料總體積的90％。集料顆粒之間會產(chǎn)生嵌擠、摩擦作用。因此集料各組分的物理力學性質(zhì)、幾何形態(tài)、它們之間的相互作用及混合料各體積組成必

2、然對瀝青混合料的力學性質(zhì)有很大影響。 瀝青混合料內(nèi)部的粗集料結構既不是完全的有序也不是完全的隨機排列。鑒于此，本文提出了基于蒙特卡羅法的集料空間分布模型，即由蒙特卡羅法隨機產(chǎn)生集料粒子，考慮集料下落、滾動等堆積過程和穩(wěn)定性準則等，按相容條件進行集成。SMA粗集料骨架集成的應用實踐表明，該模型能根據(jù)給定的級配曲線和邊界條件很好地集成混合料內(nèi)部集料的空間分布形態(tài)，經(jīng)計算機成像處理能清晰看出混合料級配設計的實際效果，為可視化級配設計奠

3、定了基礎。 針對集料顆粒間摩擦、接觸和嵌擠等復雜的相互作用機制，提出以集料空間分布模型確定單元的劃分，進而采用離散元模擬的數(shù)值計算方法，建立了適用于離散集料微觀模擬的細觀力學離散單元模型，并在VC++平臺上開發(fā)了相應的計算分析程序。經(jīng)以單一粒徑球體以及兩種粒徑球體組成的結構框架情況進行數(shù)值實驗驗證，證實所開發(fā)的程序能很好地模擬集料顆粒體在重力場內(nèi)的堆積重構?；趥鹘y(tǒng)窗口法的鄰近元搜索算法難以適應瀝青混合料集料粒徑分布范圍寬、單元

4、位移大的特點，據(jù)此，本文在對窗口合理大小的選取進行了改進的基礎上，提出適宜的鄰近元二次搜索算法。該接觸搜索算法極大地提高了計算效率，使離散單元法與隨機堆積模擬的耦合計算方法能在SMA粗集料重力場內(nèi)的堆積重構得以實際應用。 本文數(shù)值模型的另一特色是針對振動堆積實驗過程中復雜的振動特性，引入膨脹機制模擬物理實驗中的振動作用。振動模擬驅(qū)使顆粒體進一步發(fā)生重排、空隙進一步被充填、結構更為致密。經(jīng)檢驗，該模型能很好地再現(xiàn)振動堆積物理實驗。

5、 為深入研究SMA粗集料骨架結構，開展了單一分組粒徑和SMA16上限、中值及下限三種級配的粗集料干插搗堆積密度和空隙率實驗，結果發(fā)現(xiàn)：單一分組粒徑集料骨架間隙率VCADRC相差不大；SMA16三種典型級配的粗集料骨架間隙率VCA<,DRC>也比較接近；由于多組集料之間的相互充填，三種級配粗集料骨架間隙率較單一分組粒徑集料的骨架間隙率小。 在實驗研究的基礎上，利用本文的計算分析程序從微觀層面開展單一分組粒徑和SMA16三種

6、級配的粗集料骨架結構的數(shù)值實驗。從粗集料骨架間隙率VCADRC這一宏觀靜態(tài)指標的分析結果看，數(shù)值模擬與上述室內(nèi)實驗結果相吻合。同時，本文還統(tǒng)計分析了目前物理實驗很難測得的微觀結構參數(shù)——配位數(shù)，發(fā)現(xiàn)：(1)各分組粗集料骨架結構內(nèi)部集料的配位數(shù)分布相差不大，由于單一分組粒徑集料之間相互充填，與等粒徑粗集料骨架結構相比，配位數(shù)分布向增大方向移動，其平均配位數(shù)相對較大；(2)相對于單一分組粒徑集料骨架結構而言，SMA粗集料骨架內(nèi)部集料的配位數(shù)