基于离散元法空隙分布对沥青混合料剪切疲劳寿命影响研究

基于嵌入BUGERS模型的三维离散元,建立了重复单轴贯入试验模型,研究空隙特征对于沥青混合料的剪切疲劳寿命的影响。研究结果表明,考虑空隙特征与否都能通过三维离散单元法对沥青混合料疲劳寿命进行模拟。考虑空隙特征即考虑空隙实际尺寸与分布状态的模拟方式与实验结果更接近;并且沥青混合料的疲劳寿命与试件的级配、温度、空隙率有关;随着级配的增大,沥青混合料疲劳寿命增大;随温度升高,沥青混合料疲劳寿命减小、随试件的空隙率的增大沥青混合料疲劳寿命减小,其中温度因素影响显著。     

沥青混合料永久变形过程中粗集料空间运动分析

编写了三维不规则多面体粗集料的随机生成程序,重构了包含粗集料、沥青砂浆及空隙的沥青混合料车辙试件的三维离散元模型.通过对三维离散元模型进行数字切割获取了沥青混合料车辙试件的二维离散元模型,对沥青混合料车辙试件二维离散元模型中微观组成结构之间的接触赋予了相应的微观接触模型及模型参数.进行了沥青混合料车辙试验的二维离散元模拟,分析了沥青混合料永久变形过程中粗集料的平动和转动.结果表明:二维离散元模型能够较为精确地描述粗集料在沥青混合料永久变形过程中的空间运动情况,从而为今后沥青混合料车辙形成机理的探讨提供新的研究方式.     

沥青与集料黏附性对沥青混合料疲劳性能的影响研究

为量化评价沥青与集料之间黏附性对沥青混合料的疲劳性能的影响,基于表面能理论,计算了沥青与集料的表面能和沥青与集料的黏附功,采用间接拉伸疲劳试验测定了沥青混合料的疲劳寿命,通过单因素方法分析论证了沥青与集料的黏附性对沥青混合料的疲劳性能具有重要影响。研究结果表明：沥青和集料表面能的色散分量均明显大于极性分量,黏附功的大小很大程度取决于材料的色散分量;沥青与集料的黏附性与两者的匹配组合相关;沥青与集料具有更大的黏附功,将增加沥青与集料分离所需的能量,也意味着产生疲劳开裂的难度增加,致使沥青混合料的抗疲劳性能提高。     

密级配沥青混合料集料分形分维与路用性能的关系

从集料结构本身出发,利用分形几何的基本理论,建立沥青混合料集料的粒径分布分形模型、集料体积分形模型和集料孔隙分形模型。集料的体积分形维数是一个饱含丰富信息的重要参数,其与沥青混合料的空隙率存在强相关性,建立AC-16密级配沥青混合料集料体积分形维数与沥青混合料空隙率的回归模型。通过大量路用性能试验,得到AC-16密级配沥青混合料集料的体积分形维数与路用性能指标之间的相关变化规律。集料的体积分形维数增大,沥青混合料的高温性能、抗滑性能呈下降趋势,水稳定性、低温抗裂性呈上升趋势。根据密级配沥青混合料集料体积分形维数与各项路用性能的关系,可对具有不同集料体积分形维数的沥青混合料的路用性能进行预估。     

沥青混合料低温劈裂试验离散元数值模拟影响因素分析

基于颗粒流软件PFC2D,建立沥青混合料劈裂试验二维离散元模型,研究集料模型(clump模型和cluster模型)、几何形状、混合料孔隙率,以及加载方向对沥青混合料低温劈裂试验离散元数值模拟的影响。研究结果表明,集料模型、几何形状、混合料空隙率,以及加载方向等,都对沥青混合料低温劈裂试验离散元数值模拟产生明显的影响。     

基于细观尺度沥青混合料二维建模方法及数值模拟

沥青混合料受非均匀性细观结构影响,其应力特性易发生变化为分析受细观结构影响的沥青混合料应力特性,本研究从细观尺度出发,结合室内劈裂试验结果,利用有限元软件建立二维数值模型分析沥青混合料的力学与损伤特性。结果表明：在沥青混合料疲劳损伤过程中,粗集料尖角附近应力集中现象明显,AC-13C数值模型应充分考虑2.36mm以上的粗集料,并在细观尺度上说明2.36mm作为AC-13C粗细集料分界线的可行性。     

基于数字图像的沥青混合料离散元几何建模方法

沥青混合料的性能与其细观结构密切相关,离散元方法在解决沥青混合料这种复杂、多相、不连续介质材料的细观问题时,具有很大优势。针对以往沥青混合料离散元建模不能较好模拟集料颗粒形状的问题,结合数字图像处理技术,提出了一种新的沥青混合料离散元几何建模方法,主要有3个步骤：1)使用特征聚类方法,将沥青混合料切片图像中的集料与沥青砂浆分离;2)并利用链码边界跟踪和线段表算法将分离的集料区域填充为离散元中的“聚粒”;3)用离散元的圆盘单元填充沥青胶砂区域,实现沥青混合料切片图像的二维离散元几何建模。利用该模型,较好地模拟了沥青混合料在贯入荷载作用下变形的动态过程。     

冷再生混合料疲劳性能的室内试验研究

对两种级配的泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能展开室内试验研究,运用疲劳统计学原理对试验结果进行了分析,在此基础上得到了可靠的疲劳方程,并就冷再生混合料与热拌沥青混合料的疲劳性能进行了对比分析。     

沥青混合料集料离析的数值模拟与分析

采用颗粒力学的基本理论分析了颗粒相互作用时的运动规律及沥青混合料集料离析的机理,提出以混合料中滚落距离大的集料颗粒比例判断集料离析的模型。利用离散元颗粒流计算软件PFC2D对沥青混合集料离析进行数值模拟,验证了集料离析模型的合理性。以沥青混合料集料料仓的实际尺寸为依据,对AC-13、AC-20沥青混合料集料进行下落试验,试验结果与理论分析及数值模拟结果吻合,并表明密级配沥青混合料集料粒径分布范围广、公称粒径大,集料易产生离析。沥青混合料生产过程中,应严格控制粗、细颗粒粒径大小及其级配含量,以避免混合料集料离析的产生。     

沥青混合料三轴剪切试验的离散元模拟研究

为了更好地评价和预估沥青混合料抗车辙能力,基于离散元方法,应用PFC2D软件对沥青混合料的三轴剪切试验进行离散元数值模拟,并将模拟结果与实验室试验结果进行了对比分析.结果表明,离散元模拟结果与实验室试验结果具有较好的相关性,且规律一致,验证了模型的正确性;可基于此模型建立评价和预估沥青混合料抗车辙能力的虚拟试验方法.     

沥青混合料CT图像中粘连集料颗粒分离方法

为了准确分离沥青混合料CT(computerized tomography)图像内部的粘连集料颗粒,根据材料密度连续变化特点,对CT图像进行高斯平滑和H-maxima转换处理,消除图像噪音和降低图像内集料颗粒像素密度变异性,然后采用分水岭分割算法对沥青混合料CT图像内部粘连集料颗粒进行分割.确定分水岭分割后的集料颗粒尺寸参数,采用不同当量尺寸对集料颗粒级配进行虚拟筛分,对所提出的粘连集料颗粒分离方法进行筛分级配验证.结果表明:通过分水岭分割后的集料颗粒,采用等效直径作为当量尺寸进行级配虚拟筛分,结果与实际手工级配筛分结果吻合良好.该方法克服了以往研究中忽视对CT图像内部粘连集料颗粒的处理,是对计算机数字化设计沥青混合料级配的有益探索.     

Virtual modeling of asphalt mixture beam using density and distributional controls of aggregate contact

The characteristic indicators of aggregate contacts in asphalt mixtures, including the number, orientation, and area of contact regions, significantly affect skeleton morphology and mixture stability. To investigate the influence of indicators on mixture stability, structures with diverse characteristics of aggregate contacts are required. This study proposes an algorithm for the virtual modeling of asphalt mixture beams, which supports the density and distributional controls of aggregate contacts in the microstructure. The methodology comprises three main steps: (1) three-dimensional models of coarse aggregates conforming to the predefined gradation and volumetric content are randomly selected from a digital library of realistic aggregates, (2) contact relations of aggregates are established during the adaptive arrangement of aggregates in samples with prescribed control parameters of aggregate contact using self-developed codes, and (3) air voids are randomly scattered in the sample without overlapping aggregates according to the volumetric content of the air voids, and an asphalt mortar model is then constructed using Boolean operations. Four beam samples with different contact characteristics were obtained using the proposed method to conduct simulations of three-point bending tests. The number and spatial distribution of aggregate contacts in beam models are consistent with the prescribed parameters, showing the reliability of the proposed method for the control of aggregate contact in asphalt mixtures. A comprehensive comparison of the results of the laboratory test and simulations validates the ability of the digital beam to capture the macroscale response of asphalt mixtures. Furthermore, simulation results indicate that the sample with the greatest number and distribution uniformity of aggregate contacts has the largest peak strength and fracture energy, which is beneficial for the understanding of the relationship between the indicators of aggregate contacts and the rutting and fatigue resistance of mixtures.     

Three dimensional distribution of the mastic in asphalt composites

The microstructure of the fine aggregate matrix has a significant influence on the mechanical properties and evolution of damage in an asphalt mixture. This paper presents the findings from a study conducted to identify a quantitative method to characterize the three-dimensional microstructure of the matrix in an asphalt mixture. The influence of binder content, coarse aggregate gradation, and fine aggregate gradation on the microstructure of the matrix was also investigated. Results indicate that for a given aggregate type, binder content and aggregate gradation influence the degree of anisotropy whereas gradation of the coarse aggregate has the most influence on the direction of anisotropy of the asphalt mastic. Addition of asphalt binder or adjustments to the fine aggregate gradation also resulted in a more uniform spatial distribution of the asphalt mastic.     

Numerical investigation into the stiffness anisotropy of asphalt concrete from a microstructural perspective

A micromechanical model was built in this paper to investigate the stiffness anisotropy of asphalt concrete (AC) using the discrete element method. Four three-dimensional cubic AC digital samples with different aggregate particle orientations were built using discrete element software PFC3D. The aggregate gradation and shape, air voids and mastic included in the digital samples were modeled using different contact models, with due consideration of the volumetric fractions of the different phases. Laboratory uniaxial complex modulus test and indirect tensile strength test were conducted to obtain material input parameters for numerical modeling. Simulation of the uniaxial cyclic compressive tests was performed on the four cubic samples loaded in three different directions. Dynamic stiffness in different directions was calculated from the compression stress–strain responses. Results show that the AC stiffness is significantly dependent on preferential orientation of aggregate particles. The AC stiffness in the long-axis direction of aggregate particles is shown to be up to 43% higher than the stiffness in the particle short-axis direction. The stiffness anisotropy of AC decreases as the mixture temperature drops.     

沥青混合料剪切性能影响因素研究

采用单轴贯入试验和无侧限抗压试验,分别对沥青类型、级配类型、油石比对沥青混合料剪切性能的影响进行研究,结果表明:沥青的类型会直接影响到混合材料所具备的剪切性能,不同沥青类型的混合料的内摩擦角、粘聚力C以及剪切强度三个指标方面相差较大;级配类型对沥青混合料剪切性能具有很大的影响,特别是对沥青混合料的粘聚力C和剪切强度影响很大。     

集料级配变异性对沥青路面压实度的影响

集料级配是保证沥青混合料质量的重要指标之一,而压实度是沥青混合料路面质量的评价指标之一,那么集料级配对压实度的影响如何呢?文中将以绥满公路哈尔滨到大庆高速公路沥青混凝土加铺工程第五标段工程为依托,用定量分析的方法对集料级配的变异性对沥青路面的压实度影响程度进行分析,指出影响集料级配变异性的因素,提出相应的控制措施。     

沥青路面多尺度结构的荷载响应分析

为了从材料细观结构角度研究沥青路面结构的荷载响应,采用离散元方法,建立了柔性基层沥青路面典型结构模型,并进行了竖向荷载作用下沥青混凝土层应力和应变的计算,通过与经典路面响应程序计算结果的比较,验证了路面结构离散元模型和离散元计算方法的正确性.以验证过的路面结构模型为基础,采用较小的细观尺度描述了沥青混凝土结构层底部位置处粗集料、沥青砂浆和空隙的分布和体积大小,从而建立了路面结构的多尺度模型,并计算了荷载作用下多尺度模型的响应.结果表明,荷载引起的路面结构应力和应变在沥青混凝土内呈现显著的不均匀分布特征;粗集料与砂浆接触处的应力明显高于沥青砂浆内部的应力,两者的比值随着沥青砂浆模量的降低而增大;考虑材料细观结构后,粗集料与砂浆接触处的荷载响应明显高于宏观路面结构响应,而沥青砂浆内部的荷载应力小于不考虑细观结构时的宏观路面结构应力.     

抗疲劳层疲劳性能影响因素分析

用灰熵关联理论方法研究了沥青路面抗疲劳层的疲劳试验结果。结果表明:影响抗疲劳层疲劳性能因素的顺序为:最大公称粒径>空隙率>油石比>0.075mm筛孔通过率>软化点>4.75mm筛孔通过率>针入度(25℃)>VMA(矿料间隙率)。为提高抗疲劳层的疲劳性能,建议沥青混合料的最大公称粒径不宜过大,同时应增加沥青混合料油石比,减小沥青混合料空隙率;另外,0.075mm应作为沥青混合料的关键筛孔孔径。