基于细观尺度的沥青混合料各向异性研究

发布时间：2020-07-26 10:48

【摘要】：沥青混合料的各向异性一直是道路工作者非常关心的问题。长久以来,由于测试手段和力学分析方法的限制,该问题并未得到充分的讨论。目前,在我国沥青路面结构设计中,路面各层材料均假定为各向同性。这一假定虽然简化了计算过程,方便了力学响应的求解,但是由集料颗粒组成的沥青混合料、级配碎石等能否被看作为各向同性材料一直被人们所怀疑。本文紧扣引起沥青混合料各向异性的内、外在因素,首先通过X-Ray CT、Mimics以及Matlab软件对沥青混合料进行扫描,利用图像处理技术和组构张量理论分析沥青混合料各向异性微观指标(35)与混合料中粗集料和空隙的数量、扁平率和长轴取向的关系。同时,为进一步拓展沥青混合料各向异性在实际工程中的应用,本文利用线性规划求解和改进的配置方法理论,求得沥青玛蹄脂的主曲线和Prony级数模型,从而将其黏弹性参数应用于后续的数值模拟试验中。基于沥青混合料扫描图像完成二维和三维模型的重构,并利用二维数值模型进行不同加载方向的间接拉伸试验,揭示各向异性微观评价指标与力学指标的关系。针对三维数值模型,在沿水平和竖直方向切割等尺寸的模型后,分别进行动态模量试验、单轴拉伸试验和间接拉伸试验的数值模拟试验。同时,进一步利用数值模拟的优势从不同方向的动态模量和应力应变分布情况来全面地研究沥青混合料的各向异性。研究结果发现集料和空隙的形状、大小、长轴取向和扁平率都是影响沥青混合料各向异性的关键因素。沥青混合料在受压时横向和竖向上具有明显的性质差异,并且随着应力的增加各向异性也更为显著。混合料中集料和空隙在竖向和横向上形态特征与分布的不同,是造成这种差异的根本原因。本文的研究方法与内容既继承了连续性介质力学计算效率的优势,也能准确地描述微观结构分布对材料宏观响应的影响,为揭示沥青混合料的各向异性问题提供了重要的工具。同时,车辙、裂缝和疲劳等典型病害在考虑了各向异性的影响后,亦会得到更为合理的解释。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U414
【图文】：

模量,试件,方向,沥青混合料

采用图1.1 的方法，在旋转压实成型的沥青混合料试件内部钻取较小尺寸试件进行试验。结果表明，压缩状态下沥青混合料不同方向的模量具有明显差异，而拉伸模量在不同方向上几乎没有差异。由此研究人员得出沥青混合料的各向异性只在压缩状态下出现，拉伸条件下可认为其是各向同性。而且，Underwood 等人通过在不同温度、不同应力水平下的混合料模量测试还发现温度和应力也对沥青混合料的各向异性产生一定的影响，并指出当温度上升到 50℃或压应力提高到 275kPa 时，混合料竖向与水平向的模量比接近 1.8。因此他们指出，高温和高压应力水平也是引起混合料显著各向异性的重要因素，

模量,试件,复数模量,断裂能

EvEh121 2向试件= α图 1.1 同一方向不同试件的模量测试Fig 1.1 Modulustestof differentspecimensin the samedirecti和 Braham[15]在 2008 年也采用图 1.2 所示的试件钻取压缩复数模量、压缩蠕变柔量、拉伸强度和断裂能，压缩复数模量和蠕变柔量，而拉伸强度和断裂能在不12 年，东南大学的鞠达和李昶[6]在高为 145mm，直的沥青混合料中，分别沿竖向和水平向钻取等尺寸的抗压回弹模量，结果表明 15℃时的水平方向模量大试件

技术路线图,沥青混合料,三维数值模型,三维模型

合肥工业大学专业硕士研究生学位论文（4）利用图像重构软件 Mimics 对连续多张的沥青混合料 CT 扫描图像进行处理（包括图像分割与形态学操作），从而完成沥青混合料三维模型的重构。随后，在网格划分软件 3-Matic 中对沥青混合料进行平滑操作并分别沿着竖直和水平方向在大体积三维模型中切割出等尺寸的两个小圆柱体模型，对切割后的圆柱体模型进行面网格和体网格的划分，从而完成计算所需的沥青混合料三维数值模型的构建，并再次利用 Mimics 软件完成材料属性的赋值。最后，在有限元软件中对沥青混合料的三维数值模型，进行单轴拉伸和单轴动态压缩数值模拟试验，并以模型中应变的分布表征各向异性程度，从宏观角度分析沥青混合料在横向和竖向上力学行为的差异。1.3.3 技术路线本文的技术路线图，如下图 1.3 所示。沥青混合料样本

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