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

发布时间：2018-10-12 06:32

【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士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。
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【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U414

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