沥青混凝土材料细观损伤的数值模拟
沥青混合料水损坏微纳观尺度研究方法(3)——分子动力学模拟
2018年6月石油沥青PETROLEUMASPHALT第32卷第3期•试验与研究•沥青混合料水损坏微纳观尺度研究方法（3)—分子动力学模拟马建民，孙国强，胡明君，邛越，孙大权(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804)摘要：分子动力学模拟（MDS)是在分子尺度上研究沥青-集料界面的粘附特性与破 坏过程，为沥青-集料界面的粘附机理分析、材料的精确设计与性能的准确预测提供了有力的研究手段。
简要介绍了分子动力学模拟的基本原理，综述了沥青、集料及沥青-集料界面分子模型的构建方法，对基于分子动力学模拟的沥青-集料粘附特征、界面力学行为及其影响因素等研究进行了总结。
关键词：沥青混合料水损害分子动力学模拟分子模型在水、老化、荷载等因素作用下，沥青结合 料内部的粘聚性以及沥青与集料的粘附性降低，沥青混合料中的沥青-集料界面易产生破坏，进 而引发松散、剥落、坑槽等病害，严重影响沥青 路面的服务性能和使用寿命:1'2]。
沥青与集料的 粘附特性与沥青混合料的水稳定性和抗剥落能力 密切相关，对于沥青-集料粘附作用机理的研究 可以揭示粘附强度的形成过程及其影响因素，进 而从材料选择、混合料设计等角度入手提高沥青 路面的水损坏抵抗能力。
早年，国内外学者针对沥青与集料的粘附机 理开展了大量研究工作，相继提出机械粘附理 论、表面能理论、分子定向理论、化学反应理 论、断裂能理论和静电理论:3'4]等研究理论。
基 于上述理论，衍生出一系列沥青-集料粘附性能 测试方法，包括定性测试方法和定量测试方法。
定性测试方法主要有水煮法和水浸法，定量测试 方法有剪切粘附性试验、剥离试验、表面能试验 和拉拔试验等。
与定性测试方法相比，定量测试 方法减少了人为因素的影响，为沥青-集料界面 粘附强度的量化分析奠定了基础。
然而，以上试 验仅仅从宏观角度表征沥青与集料间的粘附性 能，无法在微观尺度上剖析沥青与集料的相互作 用机理以及沥青-集料界面的破坏进程。
沥青混合料的细观力学模型
沥青混合料的细观力学模型通过试验方法可以直接研究沥青混合料的力学性能，但周期较长、耗费大量的人力和材料。
为此，相关研究人员更寄望于建立细观力学模型对其力学性能进行预测，以及量化各项因素对其力学性能的影响。
关于沥青混合料细观力学模型的研究主要有路易斯安那州立大学(Louisiana State University)的Guoqiang Li研究团队和田纳西大学(The University of Tennessee)的Baoshan Huang研究团队，这两位学者及其团队的研究成果基本引领了当今世界在沥青混合料细观力学模型领域的发展潮流，而两支团队之间的合作更是代表着沥青混合料细观力学模型的未来发展趋势。
1999年，Li等在Christensen and Lo三相球模型的基础上，考虑了中间过渡层的作用，提出了水泥混凝土有效体积模量预测的细观力学模型[i]。
Li等(1999)在弹性力学和细观理论的基础上，提出了更符合水泥混凝土细观结构的四相球模型，并用该模型来预测水泥混凝土的杨氏模量，对影响因素进行了分析[ii]。
随后，Li研究团队将细观力学模型的应用转向沥青混合料领域。
1999年，Li等提出了沥青混合料的三相球模型，将沥青视为基体，集料为夹杂相，忽略空隙的影响作用，对沥青混合料的弹性模量进行预测，由于缺乏试验结果，并没有对该模型预测结果的准确性进行分析[iii]。
2005年，团队成员Li 和Metcalf将沥青混合料视为粗集料和沥青砂浆组成的两相复合材料，进一步将沥青砂浆看成由细集料和沥青胶浆(沥青与矿粉组成)组成的两相复合材料，由此提出了预测沥青混合料的弹性模量的两步法，结果表明预测值与试验值较为接近[iv]。
2005年，Huang研究团队与Li进行合作，对含有中间过渡层(Intermediate transition layer, ITL)的沥青混合料细观结构进行探讨，研究表明ITL可以减少界面的应力—应变集中现象，并通过室内试验和有限元分析对ITL的真实存在性作了初步验证[v]。
混凝土断裂损伤细观数值模拟研究进展
混凝土断裂损伤细观数值模拟研究进展摘要：对格构模型、随机粒子模型、随机骨料模型及随机力学特性模型进行了分析，在综述混凝土细观力学性能研究工作的基础上，针对模拟混凝土断裂损伤的细观模型存在的不足，提出进一步的改善措施。
关键词：混凝土；细观分析；数值模拟；模型引言：混凝土作为主要的建筑材料已有百余年的历史，它被广泛应用于水利工程、土木工程和采矿工程等众多领域。
国内外学者对混凝土做了大量的研究，这些研究多是建立在实验的基础之上。
混凝土实验需耗费大量的人力物力财力，由于实验条件，所处环境，人员因素以及材料本身的复杂性，所得结果往往具有离散性，难以反映混凝土真实的力学性能指标。
WittmannFH[1]和ZaitsevYV[2-3]把混凝土看作非均质复合材料，在细观层次上研究了混凝土的结构、力学特性和裂缝扩展过程。
随着计算机处理能力的提高和断裂力学理论的成熟，数值模拟方法己经取得了长足的进步，基于正确的力学模型，细观数值模拟可以避免试验条件的限制和人为因素的影响，降低试验结果的偶然性和离散性，不但可以直观反映出混凝土的细观损伤程度与裂缝扩展情形，而且也能通过对细观参数进行敏感性分析，得到各种细观参数对其极限承载能力的作用。
因此数值模拟从一定程度上能代替传统的试验方法，利用数值模拟方法对混凝土材料的静、动力学性能进行研究具有重大的意义[4]。
1.混凝土细观力学数值模型研究现状与混凝土力学宏观性能研究相比，混凝土的细观力学的研究起步较晚，是近二三十年才发展起来的研究方向。
在1984年国际理论与应用力学学会召开的哥本哈根大会上，细观力学被确定为“理论与应用力学中振奋人心的新领域之一”。
随后 Zaitsev和Wittmann把混凝土看做非均质复合材料，在细观层次上分析了混凝土的结构与力学特性和裂缝的扩展过程，Roelfstra P E首次将细观的概念引入到混凝土力学性能的研究当中，在细观层次上将混凝土看作是由骨料、水泥砂浆及其交界面组成的复合材料，各组分对混凝土的力学性能都有着直接的影响。
沥青混合料细观力学数值分析
料 为 玄武 岩集 料 。通过 检测 ， 结果 表 明 ： 改性 沥青 和
集料各项指标都 符合 《 公路沥 青路 面施工技 术规 范》 （ Ｊ Ｔ Ｇ Ｆ ４ ０— ２ ０ ０ ４ ） 的技术要求 。
１ ． ２ Ａ Ｅ一１ ３ Ｃ沥 青混 合料 级配 及等 效原 则
利而忽略了集料形状、 集料表面纹理 、 空 间分布、 级 配等一些几何特性和物理特性 。然而集料的这些特
通过马歇尔试验控制 目标空隙率为 ４ ． ５ ％来确
表 ２ 集料 表面积系数计 算表
按此 方法 ， 可 以确 定 最 大 公称 粒 径 取 不 同值 时 合成 材料试 件 中的沥青用 量和 各档 集料 的用量 。故 最大 粒 径 ４ ． ７ ５ ｍｍ、 尺寸 １ ０ ０ ｍ ｍ ×１ ０ ０ ｍ ｍ 圆柱体 基
下 的矿粉 ， 然后逐 级 向上加入 上一粒 径 。每一 粒径 集 料 的加入 都必 须 与 Ａ Ｃ １ ３级 配 一致 且 沥 青 与集 料 总
图１ ＡＣ一１ ３ Ｇ沥青混合料级配 曲线 图
表面积 的比例不 变 以及换 算后 的表 面 积之 和 与全 级 配集料表 面积 之和相等 。集料 比表面积计 算见表 ２ 。
李友 云 ， 胡 迪 ， 胡 白石 ， 郑新波
（ １ ． 长沙理工大学交通运输工程学 院 长沙市 ４ １ ０ ０ ０ ４； ２ ． 益 阳市泉交河镇 中学 益 阳市 ４ １ ３ ０ ４ ３ ）
摘
要： 为 了分析细观状态下 沥青混合料的力学性能 ， 从沥青混合料 的细观尺度 出发 ， 利用质量 比与 比表面积
性对 整个 路 面材 料 的 力 学性 能起 着 很 重 要 的作 用 ，
是不 能忽 略 的 。现有 的离 散元 模 型 即使 考 虑 了这 些 特性 大部 分 都是 把集 料 当成 圆形 、 多边 形或 圆盘 形 ，
沥青混凝土的细观力学模型及数值模拟的开题报告
沥青混凝土的细观力学模型及数值模拟的开题报告一、研究背景及意义沥青混凝土是道路建设中常用的材料，具有优良的耐久性、稳定性和承载能力。
其复杂的结构和成分导致了其力学性质的多样化，因此需要深入研究其细观力学模型和力学行为规律。
通过建立沥青混凝土的细观力学模型和数值模拟，可以预测其在不同载荷和环境条件下的力学性能，有效提高其设计和施工的精确性和可靠性。
因此，研究沥青混凝土的细观力学模型及数值模拟具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、研究内容及技术路线1.研究内容本论文旨在建立沥青混凝土的细观力学模型，并通过数值模拟研究其力学行为规律，具体内容包括：(1)沥青混凝土结构及成分特征分析，构建细观力学模型；(2)实验测试获取沥青混凝土的基本力学性质数据；(3)基于有限元理论，建立沥青混凝土的数值模型，模拟其力学响应行为；(4)对模拟结果进行分析和比较，研究沥青混凝土的力学行为规律。
2.技术路线(1)文献资料查阅，深入了解沥青混凝土结构及成分特征；(2)采集沥青混凝土的样本，进行理化指标测试，获取其基本力学性质数据；(3)基于细观力学和有限元方法建立沥青混凝土的数值模型，进行数值模拟；(4)分析模拟结果，研究沥青混凝土的力学行为规律。
三、预期研究成果及贡献本论文旨在建立沥青混凝土的细观力学模型及数值模拟方法，研究其力学行为规律，预期的研究成果和贡献包括：(1)建立沥青混凝土的细观力学模型，揭示其复杂的结构和成分对力学性能的影响机制；(2)通过实验测试，获取沥青混凝土的基本力学性质数据，为数值模拟提供基础数据；(3)基于有限元方法，建立沥青混凝土的数值模型，模拟其在不同载荷和环境条件下的力学响应及变形特征；(4)分析模拟结果，得出沥青混凝土的力学行为规律，为其设计和施工提供科学依据。
四、论文进度安排本论文的预计进度如下：(1)前期调研，收集文献资料，对沥青混凝土材料进行分析（1个月）；(2)采集样品，进行实验测试，获取基本力学性质数据（2个月）；(3)建立沥青混凝土的细观力学模型，利用有限元方法建立数值模型，开展数值模拟（3个月）；(4)分析模拟结果，得出沥青混凝土的力学行为规律，并撰写论文（2个月）。
不同结构沥青混合料反射裂缝数值模拟与比较
学报(自然科学版）2017年1月Jan. 2017第38卷 Yol . 38JO U R N A L OF JIA N G SU UNIVERSITY(Natural Science Edition)d oi ： 10.3969/j .iss n . 1671 -7775.2017.01.018不同结构沥青混合料反射裂缝数值模拟与比较曹青青，黄晓明，刘修宇，刘琬辰(东南大学交通学院，江苏南京210096)摘要：为了得到不同结构下的沥青混合料中反射裂缝的发展情况，将密实悬浮、骨架密实和骨架空隙这3种结构的沥青混合料小梁生成数字试件，并运用扩展有限元方法（X F E M )数值模拟进行虚 拟试验，得到裂缝在沥青混合料中自下而上反射扩展的过程，同时选取AC , A TB , S M A 和LS PM 等4 种典型沥青混凝土材料，考察其抵御反射裂缝的能力.通过对比分析4种典型沥青混凝土材料中裂 缝在密实悬浮、骨架密实和骨架空隙3种结构中的扩展路径和沥青混合料在不同裂缝扩展阶段下 的力学响应，发现沥青混合料的骨架结构越明显，裂缝开展的最大位移和最终长度越小，裂缝发展 最后阶段最大主应力越小，裂缝越不能自由发展.因此，骨架结构可以有效减少反射裂缝，提高材料 的抗反射裂缝能力.关键词：典型沥青材料；沥青混合料结构；反射裂缝；数值模拟；扩展有限元中图分类号：U416.217文献标志码：A文章编号：1671 -7775(2017)01 -0103 -06引文格式：曹青青，黄晓明,刘修宇，等.不同结构沥青混合料反射裂缝数值模拟与比较[J ].江苏大学学报（自然科学版），2017,38(1) ： 103 -108.Numerical simulation and comparison of reflective crackingin different structures of asphalt mixtureCAO Qingqing , HUANGXiaoming , LIU Xiuyu , LIU Wanchen(School of Transportation , Southeast University , Nanjing , Jiangsu 210096 , China )A bstract ： I n o r d e r t o g e t th e d e v e lo p m e n t o f r e fle c tiv e c ra c k in g in d iffe r e n t s tr u c tu r e s o f a s p h a lt m ix tu r e ,th e e x te n d e d fin ite e le m e n t w a s u s e d t o re a liz e n u m e r ic a l s im u la tio n o f th r e e ty p ic a l s tr u c tu r e s o fs u s p e n s io n -d e n s e , fr a m e w o r k -d e n s e a n d v o id -s k e le to n . T h e b o tto m -u p p r o c e s s o f c ra c k in g in a s p h a lt m ix tu r e w a s o b ta in e d , w h ile th e a n ti-r e fle c tiv e p r o p e r tie s o f fo u r ty p ic a l c ra c k a s p h a lt m a te r ia ls o f A C ,A T B , S M A a n d L S P M w e r e a n a ly z e d . T h e p r o p a g a tio n p a th s o f c ra c k a n d th e m e c h a n ic a l r e s p o n s e s a t d iffe r e n t c ra c k e x te n s io n s ta g e s in th r e e s tr u c tu r e s w e r e c o m p a r e d . T h e r e s u lts s h o w t h a t th e m o r e o b v io u s th e s k e le to n s tr u c tu r e o f a s p h a lt m ix tu r e is , th e s h o r te r th e c ra c k m o u t h o p e n in g d is p la c e m e n t a n d th e c ra c k le n g th a r e , a n d th e lo w e r th e m a x im u m p r in c ip le o f th e la s t p e r io d is . T h e s k e le to n s tr u c tu r e c a n e ffe c tiv e ly r e d u c e th e r e fle c tiv e c ra c k in g a n d h in d e r c ra c k d e v e lo p m e n t .K ey w ords ： ty p ic a l a s p h a lt m a te ria l ; a s p h a lt m ix tu r e s tru c tu r e ; r e fle c tiv ecra ck in g ；s im u la tio n ； X F E M收稿日期：2016 -04 -24基金项目：国家自然科学基金资助项目（51378121)作者简介：曹青青（1993—），女，安黴铜陵人，硕士研究生（qingqingcao 2014@icloud •em )，主要从事路面力学响应的研究•黄晓明（1963—），男，江苏南京人，教授(huangxm@seu . edu . cn ),主要从事路面新结构与新材料的研究.江亦大学学报（自然科令版）第38卷按照沥青混合料的矿料级配组成，混合料结构可分为悬浮密实、骨架空隙和骨架密实三大类[1].沥青混凝土路面抵御反射裂缝的能力与所用沥青混合料结构有关m.目前对反射裂缝的细观层次的研究主要基于应力强度因子[4_5]、基于内聚力模型C ZM和基于扩展有限元(X F E M)的裂纹扩展等3种模拟方法.文献[6]首次将断裂力学原理应用于沥青路面开裂研究，并将路面破坏分为3个阶段.文献[]利用断裂力学和有限元方法研究了温度和车辆荷载耦合作用下的路面开裂规律.文献[-9]基于A B A Q U S平台编制了裂缝扩展的仿真实用程序.文献[1〇]首次将内聚力模型应用于沥青混凝土的断裂模拟中.相对于前两种方法，扩展有限元法在模拟开裂问题时避开了尖端网格重划的复杂步骤，真实体现裂缝自由扩展.文献[11 ]最早提出无网格单元法.文献[12 -13 ]均采用X F E M对路面材料进行模拟，验证了该方法在裂缝扩展模拟中的适用性和优越性.文献[14]通过自编F o rtra n程序，实际验证了改进X F E M在模拟沥青路面反射裂缝方面的适用性和应力强度因子的精确性.但目前具体结构下的沥青混合料对反射裂缝开展的影响问题尚未得到解决，需要在细观层次对反射裂缝的发展进行比较探究.为此，本研究将采用扩展有限元XFEM的方法，在细观层次上对5种典型路面材料小梁进行虚拟建模，对其中反射裂缝的开展进行模拟，探究不同结构的沥青混合料对裂缝扩展的影响，最后提出路面设计中选择材料的建议.1 ABAQUS中虚拟小梁弯曲试验模型本研究采用5种沥青混合料进行试验，分别为沥青混凝土（A C-13，A C-25)、沥青稳定碎石（A T B-25)、沥青玛蹄脂碎石（S M A-13)和大粒径透水性沥青混合料（L S P M-25).构造沥青混合料小梁，采用二维平面应变模型，梁高20m m,宽90 m m,底部简支端点距边部端点15 m m.采用CCD或C M O S感光元件采集5种沥青混合料小梁断面图像，通过对图像降噪、增强及二值化之后，剔除细集料图像，以提高后续计算运行速度；使用P h o to s h o p软件提取图像边缘，得到的矢量化文件导入A U T O C A D后，进行比例尺校正，最终得到沥青混合料小梁的数字试件.在若干个试件样本中，剔除掉集料分布不佳且存在离析现象的样本，保留较好样本.下面以A C-13为例，说明ABAQ U S中模型的构建.图1为若干A C-13小梁的数字试件.在A U T O C A D中，使用regio n命令将集料轮廓区域设定为待分析面域，得到集料等效圆，以等效直径作为划分集料粒径等级指标，面积作为评价集料比例指标，统计结果如表1所示.表i5种类型混合料材料组份比例%混合料类型集料粒径/m im空隙半[0,4.75)[4.75,9.50](9.50,13.20](13.20, + a )AC-13 2.1049.9920.5618.239.18 SMA-13 2.0236.1125.398.1128.37 AC-25 4.8235.0815.2014.3330.57 ATB-25 5.6328.1013.4511.0341.79 LSPM-2513.6918.94 5.8517.2744.25对比以上几种混合料组分比例可以验证:沥青混凝土（A C-13，A C-25)代表密级配中的密实悬浮结构;沥青稳定碎石（A T B-25)介于密级配的密实悬浮与骨架密实结构之间;沥青玛蹄脂碎石（S M A-13)代表密级配中骨架密实结构；大粒径透水性沥青混合料(L S P M-25)代表开级配中骨架空隙结构.由于试件考虑了沥青砂浆、集料和空隙三相细观结构，在将矢量图形导入A B A Q U S有限元软件建模时，需进行图层划分.首先在pat模块中建立只含沥青砂浆及空隙的二相材料模型，如图2所示.进人p a rtitio n后，导人只含集料边界的矢量图形，如图 3 所示.最终将得到含有沥青砂浆、集料和空隙的三相沥青混合料数字试件，如图4所示.确定材料属性，根据文献[15 ]推荐值，沥青弹性模量取400M P a，泊松比0. 5;集料弹性模量取50 000M P a，泊松比0.2;开裂准则采用最大主应力准则，在A B A Q U S中分别对沥青胶结料和集料定义主应力阙值[15]，损伤积累准则采用裂尖最大张开位• AC-13-13(b ) SM A-13图6裂缝最末扩展阶段由虚拟力学试验可得到以下结果：1)从裂缝扩展路径来看,A C -13混合料里的反射裂缝能够比较顺畅、自由地扩展，可以绕过集料范 围且只在沥青砂浆中扩展.与前种材料存在明显不 同，虽然S M A -13中裂缝也存在绕过集料扩展的趋势,但是其垂直向上发展态势较为明显，裂缝甚至可 以直接穿过集料一角，垂直向上扩展至试件顶面形 成贯穿缝.2)小梁试件支座反力P 与裂缝开口位移的关系变化趋势如图7所示.0 0.51.01.52.0 2.5裂缝开口位移/mm图7沥青混合料小梁P - D 。
沥青混凝土的细观开裂模拟方法研究
本研究的目的是建立一个更有效、更精确的细观沥青混凝土模型研究其开裂 问题。本文采用两种数值建模方法分析沥青混凝土的开裂问题。第一种是随机骨 料分布及嵌入粘结单元有限元模型。本方法将沥青混凝土分为四个重要组成部分： 骨料、沥青砂浆、界面过渡区和初始缺陷。根据由 Full 和 Thompson 开发的级配 曲线，将骨料颗粒模拟成大小不同的随机分布多边形。采用了一些有效的方法来 提高骨料投递的成功率。对于初始缺陷，本研究仅考虑空隙。在沥青砂浆的初始 网格内，沿骨料与沥青砂浆的界面插入零厚粘性单元，模拟混凝土的开裂过程。 修正了以往的开裂初始准则和牵引分离规律，并用以描述粘结构件的破坏行为。 基于 python 语言，开发了骨料投递、内聚力单元插入和修正的构造本构模型的 用户自定义程序，并将其嵌入到商业有限元软件包 abaqus 中。通过与试验结果 的比较，验证了所提出的细观模型的有效性和准确性，并研究了细观结构对沥青 混凝土的宏观性能的影响。第二种方法采用基于 Voronoi 多边形的细观刚体弹簧 法进行数值建模，在第一种方法的基础上，采用随机骨料投递技术随机投放圆形 骨料，然后根据骨料形心点生成 Voronoi 网格，过 Voronoi 单元网格边界的几何 形状寻找骨料之间的相互作用关系，骨料间的粘结材料被浓缩为骨料间的界面弹 簧，其刚度由粘结材料的厚度定义。通过二维和三维数值单轴压缩实验进行验证 其有效性。 关键词：细观沥青混凝土；随机骨料投递算法；粘结单元嵌入算法；Voronoi 多 边形；细观刚体弹簧法
i
ABSTRACT
The purpose of this study is to establish a more effective and accurate mesoscopic asphalt mixture model to study its cracking problem.In this paper, two numerical modeling methods are used to analyze the cracking of asphalt mixture.The first is the random aggregate distribution and the embedded bond element finite element model.This method divides asphalt mixture into four important components: aggregate, asphalt mortar, interface transition zone and initial defect.Aggregate particles were simulated as randomly distributed polygons of different sizes according to the grading curves developed by Full and Thompson.Some effective methods are adopted to improve the success rate of aggregate delivery. For the initial defects, only the void was considered in this study. In the initial grid of asphalt mortar, zero-thickness viscous unit is inserted along the interface between aggregate and asphalt mortar to simulate the cracking process of concrete.The former cracking initial criterion and traction separation rule are modified to describe the failure behavior of bonded components. Based on the python language, a user-defined program for aggregate delivery, cohesive force unit insertion and modification of constitutive model construction was developed and embedded in abaqus, a commercial finite element software package. Compared with the experimental results, the validity and accuracy of the proposed meso-structure model are verified, and the effect of meso-structure on the macro performance of asphalt mixture is studied. The second method based on Voronoi polygon of the mesoscopic numerical model based on the rigid spring method and random on the circular aggregate by random aggregate delivering technology, then Voronoi grids were generated according to the aggregate centroid and a Voronoi unit grid boundary geometry for the interaction relationship between aggregate and bond between aggregate material is concentrated to aggregate the interface between the spring, defined by the thickness of the bonding material, The validity of the method is verified by two-dimensional and three-dimensional numerical uniaxial compression experiments.
基于扩展有限元方法的沥青混合料劈裂试验的数值模拟分析
基于扩展有限元方法的沥青混合料劈裂试验的数值模拟分析基于扩展有限元方法的沥青混合料劈裂试验的数值模拟分析Simulation of splitting test of asphaltmixtures based on extend finite element method刘喆（陕西铁路工程职业技术学院陕西渭南 714000）摘要：为了更好的认识和分析沥青混合料的损坏过程，包括沥青路面材料和结构损伤行为、裂缝形成和发展规律，本文引入了扩展有限元方法，以沥青混合的劈裂试验为依据，采用有限元软件和双线性内聚力对沥青混合料圆形试件（DCT）进行了开裂扩展模拟，并将数值结果和试验结果进行了对比分析。
结果表明，扩展有限元方法的数值结果和试验结果吻合很好，此方法可以用于沥青路面结构的力学计算分析。
关键词: 沥青混合料；劈裂；数值模拟；有限元沥青路面在使用过程中，受到行车荷载和环境因素等综合作用的影响，高温车辙、低温开裂及疲劳破坏等是沥青路面常见的病害，这些病害与沥青混合料的性质密切相关，可以采用沥青混合的劈裂性能评价沥青混合料的抗裂性能，其劈裂性能将直接影响到沥青路面的使用性能和结构力学特性。
为了更好的认识沥青混合料的破损机理，了解沥青路面结构行为，研究其损伤规律、裂缝形成与扩展规律，必须充分的理解和认识沥青混合料的物理特性和研究手段，采用什么方法能更好的阐述沥青混合料的损伤问题是本文的研究重点。
首先，沥青混合料损伤断裂属于强不连续问题，采用常规的模拟方法很难真实的展现沥青混合的破坏过程，常规有限元法输入的材料参数，形函数是连续的，表现在内聚力单元是在实体有限元相邻边界上设置的，这样裂纹的演化和发展也只能在单元的边界上进行，对于穿过单元的内部扩展是存在困难的。
其次，采用常规的有限元方法分析连续-非连续问题时存在很大的局限性，不能准确的描述实际的沥青混合料损伤断裂（裂纹生产、扩展、破坏）问题。
在此基础上本文提出了扩展有限元法，它是常规有限元方法的继承和扩展，属于一种新的数值方法，解决了裂纹尖端应力梯度和变形集中问题，当裂纹扩展时可以穿过有限元网格，能够真实地描述沥青混合料的损伤扩展断裂的全过程，以此更接近实际情况的的沥青混合料损伤断裂模型即可建立，运用这一模型计算的结果来沥青沥青混合的破坏情况就相对可靠，可以较好的阐述沥青混合料的损伤机理。
混凝土损伤破坏过程的细观数值模拟的开题报告
混凝土损伤破坏过程的细观数值模拟的开题报告一、研究方向和意义混凝土作为一种广泛应用的建筑材料，在结构工程中扮演着重要的角色。
然而，由于混凝土本身的缺陷以及外部环境因素的影响，混凝土在使用过程中常常会出现损伤和破坏现象，严重影响了其使用寿命和安全性能。
因此，对混凝土的损伤破坏过程进行研究，有助于提升混凝土的抗损性能和耐久性，并为工程实践提供参考。
细观数值模拟可以为混凝土损伤破坏过程的研究提供有效的工具和方法。
通过建立适当的数学模型和计算程序，可以对混凝土的力学特性进行分析和计算，揭示混凝土的损伤破坏机理以及影响因素，提升混凝土应用性能，具有重要的理论价值和实际应用价值。
二、研究内容和方法本文将通过细观数值模拟的方法，对混凝土的损伤破坏过程进行研究。
具体研究内容包括以下方面：1.建立混凝土的力学模型混凝土材料具有很复杂的力学特性，需要建立适当的数学模型来描述其受力变形关系。
本研究将采用本构模型和损伤模型相结合的方法，将混凝土的弹性行为、塑性行为和损伤行为纳入到模型中，以模拟混凝土的力学特性。
2.研究混凝土的损伤机理混凝土在受力过程中，可能会发生裂纹、剪切、压缩等各种形式的损伤破坏。
通过细观数值模拟的方法，可以模拟出这些损伤过程，并揭示其发生机理、分布规律等。
3.分析混凝土的破坏模式混凝土的破坏模式取决于其受力形式和强度水平，可能发生局部破坏、全面破坏等不同形式的破坏。
本研究将对不同受力情况下混凝土的破坏模式进行分析，探讨其影响因素和规律。
4.验证和比较模拟结果最后，本研究将通过实验和现场观测，对模拟结果进行验证和比较。
通过比较分析，可以检验模型的准确性和适用性，并进一步完善和改进模型。
三、预期成果和创新点预期成果：1.建立适用于混凝土损伤破坏的力学模型。
2.研究混凝土的损伤机理和破坏模式，揭示其规律和影响因素。
3.获得混凝土损伤破坏数值模拟的有效方法和技术。
创新点：1.采用本构模型和损伤模型相结合的方法，全面描述混凝土材料的力学特性和损伤特性。
超高性能混凝土细观损伤有限元数值模拟及试验研究
超高性能混凝土细观毁伤有限元数值模拟及试验探究关键词：超高性能混凝土；细观有限元模型；力学性能；毁伤特性超高性能混凝土细观毁伤有限元数值模拟及试验探究引言超高性能混凝土由于其高强度、高流淌性、高耐久性等特性，近年来成为了建筑工程领域中备受关注的材料之一。
然而，超高性能混凝土的力学性能和毁伤特性对于其实际应用而言至关重要。
因此，本文旨在探究超高性能混凝土的力学性能及毁伤特性，为建筑材料领域的探究提供参考。
试验材料及细观有限元模型试验材料：本试验选取了一种常用的自然石英粉、高性能水泥、微细粉末等为主要原料，制备了一种超高性能混凝土材料。
细观有限元模型：本文构建了一个三维细观有限元模型，对超高性能混凝土的各向异性进行了分析。
在模型中，接受了非线性弹性理论和各向异性本构干系，思量了混凝土材料的各向异性和非线性变形特性。
试验方法试验包括压缩试验、拉伸试验和剪切试验。
在试验中，实行了标准试样制备方法和设备进行试验，记录了材料在不同荷载下的变形和应力等数据。
通过试验结果，探究了材料的应力-应变特性和毁伤行为。
结果分析通过试验数据，分析了超高性能混凝土的力学性能。
试验结果表明，所制超高性能混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度均高于平凡混凝土，并且具有较好的变形能力。
通过细观有限元模型的分析，得出了混凝土各向异性的分布和变化规律。
此外，试验还反映了超高性能混凝土的初始毁伤阶段和主要毁伤阶段的毁伤特点。
结论通过细观有限元模型和试验，探究了超高性能混凝土的力学性能和毁伤特性。
结果表明，所制超高性能混凝土具有高强度、高韧性、高耐久性等特性，可以广泛应用于各种建筑工程中。
但是，还需要进一步改善其力学性能和毁伤韧性，以满足复杂工程要求。
此外，还需要注意控制超高性能混凝土的生产过程，以确保材料的匀称性和一致性。
在实际施工中，也需要注意超高性能混凝土的施工工艺和保卫措施，以充分发挥其优异的性能。
另外，还有一些探究表明，通过添加纳米材料，如氧化硅、氧化铝等，可以进一步提杰出高性能混凝土的力学性能和耐久性。
基于复合材料细观力学模型的沥青混凝土弹性模量预测
Elastic Modulus Prediction of Asphalt Concrete Based on Composite Material Micromechanics Model
ZHU Xing2yi1 , HU AN G Zhi2yi1 , C H EN Wei2qiu2
(1. Depart ment of Civil Engineering , Zhejiang U niversity , Hangzho u 310027 , Zhejiang , China ; 2. Instit ute of Applied Mechanics , Zhejiang U niversity , Hangzhou 310027 , Zhejiang , China)
通过百分率之积的加权 。文献 [ 5 ]中所采用的这 2
个假设偏离了细观力学基于解析模型的分析思想 ,
因此他们的分析方法实质上是细观力学和经验公式
的混合 。此外 ,文献[5 ]中虽然给出了弹性模量的表
达式 ,但该表达式是针对单相夹杂的表达式 。事实
上沥青混凝土是多相夹杂的复合材料 , 为此需进一
步给出多相夹杂的弹性模量的表达式 。笔者在文献
朱兴一1 ,黄志义1 ,陈伟球2
(1. 浙江大学 土木工程学系 ,浙江 杭州 310027 ; 2. 浙江大学 应用力学研究所 ,浙江 杭州 310027)
摘要 :针对目前预测沥青混凝土弹性模量的主要方法 (基于宏观层面的试验法和经验法) 均未能反 映其细观结构的问题 ,基于复合材料细观力学方法建立了沥青混凝土多相的 2 层嵌入式细观力学 模型 ,求解得到单夹杂复合材料的 2 个弹性常数 (弹性模量和剪切模量) ;结合多步骤方法 ,即将各 档粒径集料与空隙逐一投入 ,然后进行均匀化 ,得到多夹杂复合材料弹性模量 ,并与试验值进行对 比 。结果表明 :预测结果与试验结果基本相同 ;该方法能够反映各组成材料在沥青混凝土中所起的 力学作用 ;沥青混凝土的空隙率 、沥青胶浆的弹性模量对沥青混凝土的弹性模量有重要影响 。 关键词 :道路工程 ;沥青混凝土 ;细观力学模型 ;复合材料 ;有效性能 ;多夹杂 中图分类号 :U414. 1 文献标志码 :A
基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法与设计方案
基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法与设计方案在沥青混凝土路面结构设计中，对材料的物理特性和结构的机械行为进行准确的建模是至关重要的。
传统的模型常常将沥青混凝土视为均质连续介质，忽略了其细观结构的影响。
然而，沥青混凝土的微观结构对其力学性能有很大的影响，包括强度、刚度和耐久性等方面。
1.材料参数获取：首先需要获取沥青混凝土的各项材料参数，包括沥青胶体颗粒的分布形态、颗粒形状参数、颗粒间作用力等。
这可以通过实验手段获取，例如扫描电子显微镜、粒度分析仪等。
2. 细观结构建模：根据实际沥青混凝土材料的细观结构和物理特性，使用建模软件（如Rhino、Ansys等）进行三维建模。
建模可以从颗粒级别开始，逐层逐步建立沥青胶体、矿料骨料等的几何形状和排列方式。
3. 网格生成：在建立细观结构模型后，需要生成相应的有限元网格。
这可以通过有限元软件（如Abaqus、ANSYS等）实现，根据细观结构的几何形状和尺寸进行网格划分。
4.材料输入：根据步骤1中获取的沥青混凝土材料参数，将其输入到有限元模型中，包括胶体颗粒的弹性模量、矿料骨料的弹性模量、粘结力等。
5.材料模型设定：根据沥青混凝土的实际力学行为，选择合适的材料模型。
常用的模型包括线弹性模型、弹塑性模型、损伤模型等。
选择模型时需要考虑到沥青混凝土的非线性、动态响应等特点。
6.负荷施加和边界条件设定：根据实际情况，在有限元模型中施加相应的荷载和边界条件。
例如，可以通过施加轮辐荷载模拟车辆荷载，施加边界条件模拟路面支撑。
7.模拟计算和结果分析：通过有限元软件进行模拟计算，得到沥青混凝土在不同荷载下的应力、应变分布等结果。
对结果进行分析，评估沥青混凝土结构的力学性能。
细观结构的沥青混凝土建模方法能够更加准确地反映实际材料的力学行为，为路面结构设计提供科学依据。
利用该方法进行沥青混凝土结构设计时，需要根据实际情况选择合适的材料参数和模型，同时结合工程经验和实测数据进行验证和修正。
混凝土损伤断裂过程中的细观数值模拟研究
数值计算模 型进 行校正。显然 ， 数值模拟 时数值模 型 的选 在 择是很关键 的。到 目前为止最典 型的混凝土细观力学模型有 以下类型 ： 格构模型 （ ａｉｅｍ ｄ１ 、 Ｌ ｔｃ ｏｅ ） 随机骨料模型 （ ａｄｍ ｔ Ｒｎｏ
１ 混凝 土细观 力 学
１ １ 细 观 力 学 ．
（） ３ 弹性损伤力学 的本构 关系 ， 就是应 力 作用 在受损
材 料上 引起 的应变与 有效应 力作 用在 无损 材料 上引起 的应
细观力 学 。 是用连续介 质力 学方法来分 析的具有 细观结 构（ 即材料在光学或常规 电子显微镜 下可见 到的细观结构 或 微 观结 构） 的材料 的力 学 问题 。其研 究 目标 就 是 ， 研究 固体
对随机骨料模型进行分析 总结 ， 出了现有研究成果的 一些不够完善之处 。 提
【 关键词】 混凝土； 细观力学； 损伤与断裂； 数值模拟； 数值模型 【 中图分类号】 Ｔ ３３ Ｖ１
混凝土是典型的非均匀材料 ， 中含有微裂缝 ， 其 以及宏观的
缺陷如裂缝、 孔洞 、 偏折等。其强度 、 变形和破坏性能都与其 内 部结构及裂缝的扩展有关。研究混凝土的断裂过程有利于认识 混凝土断裂的发生机制， 并为研制高性能混凝土提供依据。 断裂力学在混凝 土研究中的应用 ， 首先是 由 Ｋ ｐａ 将 断 ａｌｎ 裂力学 的概念用 于混凝 土 中。此后 人们 发现 由于混凝 土 内 部结构存在大量 的微裂 缝以及 材料的非线 性 ， 以当混凝 土 所 端部出现微裂缝区时 ， 线弹性断裂力学就不 再适用 于混凝土 断裂分析 了， 而进入 到非线性断裂力 学研究 阶段 。基于 混 从 凝土非线性宏 观断裂模型 的研究 ， 并不能完 全解决混凝 土裂
混凝土细观损伤破坏过程的数值模拟
第 ３ ５卷第 ３期
２ｃ 年 ５月 ０ｒ ７
河 海 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊｕｎｌ ｆ ｏａ Ｕ ｉ ｒｔ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃｓ ｏｒａ ｏ ｈｉ ｎ ｅ ｉ（ ａ ｒ ｃ ｎｅ） Ｈ ｖ ｓｙ ｕｌ ｅ
中图分 类号 ：Ｕ ２ ， Ｔ ５８１
文 献标 识码 ： Ａ
文章 编 号 ：００ １８ （０７０—３９ ０ １０ —９０２０ ｝３０ １ —７
混凝土细观上的破坏特性要采用扫描电镜等先进 的实验设备进行测试 ， 只有加载和测试 同时进行 ， 才能 反 映该 载荷水 平下 的损 伤破 坏情 形 ， 以试验 需要 精 心 设计 且 需 花 费大 量人 力 和物 力 ， 所 即便 如 此 ， 验 成 果 试 仍然相对离散 ． 近年来 ， 随着计算机技术的高速发展 ， 以及 图形软件和网格剖分软件 的升级 ， 用数值实验进行 材料损 伤破 坏过 程 的研究 已成为 热 点 ． 观数 值 试 验模 型 由原 来 的二 维 ＿ Ｊ 展 到 三 维 ， 圆骨 料 ＿３发 展 细 １发 唱 由 １＿ ． 到椭圆骨料［进而到任意多边形骨料［ 模型 ， ］ 由原来 的密剖分 圆形 （ 包括椭 圆） 骨料＿ 到稀疏剖分骨料模 ８ Ｊ 型， 这些模型均能满足精度要求 ． 对于三维 问题 ， 映射 网格方 法¨ ．剖分的网格规模过大 ， 目前 的单机不 ６ Ｊ 以
压缩、 劈拉和梁弯曲等数值试验， 分析 了不同界 面参数、 同砂浆损伤参数、 不 不同加栽形式对混凝土 试 件 的变形 特点 、 破坏 形 式 以及 承 载 能力 的影 响 ， 讨 了混 凝 土宏 观 力 学性 能 （ 应 变软 化 和 剪胀 探 如
等 变剖分 ； 维细观 数 值模 型 ； 值 试验 ； ａａ 损 伤模 型 三 数 Ｍ ｚｒ ｓ
基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟研究进展
第2卷第1期2004年3月水利与建筑工程学报Journal of W ater R esources and A rch itectural EngineeringV o l.2N o.1M ar.,2004基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟研究进展尚岩,杜成斌(河海大学土木工程学院,江苏南京210098)摘 要:系统综述了基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟的研究现状,介绍了细观损伤力学在混凝土性能分析中的应用。
重点对微平面模型、二维格构模型、随机粒子模型、细观结构模型、可考虑微裂纹间相互作用的细观损伤模型、基于弹性损伤本构关系的细观结构模型及Gurson细观损伤模型等几种常用的基于细观损伤的混凝土本构模型的优、缺点进行了比较。
最后指出了以后有待进一步研究的问题。
关键词:细观损伤;混凝土;力学性能;本构模型;数值模拟中图分类号:TU528.1 文献标识码:A 文章编号:1672—1144(2004)01—0023—06Advances i n Nu m er ica l Si m ula tion of M echan ica l Performance ofConcrete Ba sed on M icro-m echan ics DamageSHAN G Yan,DU Cheng2b in(Colleg e of C iv il E ng ineering,H ohai U niversity,N anj ing,J iang su210098,Ch ina)Abstract:In th is paper,the researches of m echan ical p erfo r m ance of concrete based on m icro-m echan ics dam age are com p letely review ed and the app licati on of m icrom echan ics in the research of concrete p erfo r m ance is p resen ted.T he m erits and defects of som e k inds of con stitu tive m odel of concrete based on m icro-m echan ics dam age,such as m icro-p lane m odel,lattice m odel,random p article m odel, m icrom echan ical m odel,m icro-m echan ics dam age m odel con sidering the effect of m icro-crack, m icrom echan ical m odel based on elastic con stitu tive relati on,m icro-m echan ics dam age m odel based on po rou s m edia,are com p ared in detail.Fu rther m o re,the fu rther p rob lem s in th is field are discu ssed. Keywords:m icro-m echan ics damage;concrete;m echan ica l perfor mance;con stitutive m odel;nu m er ica l si m ula tion 混凝土是由粗骨料、细骨料、水泥水化物、未水化水泥颗粒、孔隙及裂纹等组成的非均质复合材料。
带裂缝沥青小梁弯曲破坏的数值模拟
带裂缝沥青小梁弯曲破坏的数值模拟康荣根;张晓春【摘要】Using the realistic failure process analysis system（RFPA2D）, the numerical tests were conducted to investigate the stress distribution andits variation of an asphalt concrete beam with a single vertical crack under three-point bending condition. The of the heterogeneity, crack depth, the horizontal distance between the crack and 11m oa center on the crack propagation, deformation and fracture destruction of the specimen pact ding with vertical cracks was discussed. The results showed that the heterogeneity of specimen has important influence on the peak value of the failure strength, acoustic emission, deformation, crack propagation process and failure mode. Meanwhile. the simulation process showed that the peak value of the failure strength was increased with the increase ofthe depth of the cracks and the horizontal distance between the pre-sawed notch and the central line where the load was applied.%应用真实破裂过程分析系统（RFPA2D），数值模拟与分析了带裂缝沥青混凝土小梁在三分点加载条件下的应力分布状态及其变化规律，讨论了沥青混合料的均质度、裂缝深度、裂缝与加载中心距离对含有竖向裂缝试样的裂纹扩展规律及断裂破坏的影响。
沥青混合料损伤演化的多尺度模拟
1 沥青混合料细观尺度代表性体积元 及本构模型
1. 1 沥青混合料细观尺度代表性体积元 在宏观尺度里 ,沥青混合料被当作一个均质非
线性粘弹性介质 ,但是在局部细观尺度区域里 ,线弹 性集料和一个线性粘弹性玛蹄脂组合成了一个非均 质材料 。在宏观尺度区域试验观察到的非线性行为 是局部细观尺度试验观察到的微裂缝扩展结果 。用 微 (细) 观力学粘弹性区模型可以模拟微观裂缝 。
采用有限元方法进行宏观分析时 , 对有限元网 格每个选定的结合点都必须进行相应的局部微观 分析 。
多尺度分析模拟的主要优点是 :在解决细观力 学问题后可以见到小尺度物理现象 , 可以进一步了 解局部细观尺度的发展机理 。因而 , 这种方法为更
第 2 期 刘福明 ,等 :沥青混合料损伤演化的多尺度模拟
α( t)
] [σfi
+
1 δi
t 0
Ec ( t
-
ξ)
5
ui (ξ) 5ξ
dξ]
i = n 或τ
(1)
式中 : Ti ( t) 为粘结区的平均牵引力 ; ui 为粘结区位 移 ;δi 为粘结区材料长度参数 ;α( t) 为代表损伤发展 的内部状态变量 ;σfi 为初始粘结区所具有的应力水
多尺度计算近年来已经在岩土 、航空等多个领 域得到广泛应用 ,在解决粘弹性复合材料损伤行为 方面取得了很好的效果[526] 。为了优化沥青混合料 性能 ,可采用多尺度模拟理论来尽可能描述其微观 结构变化 。通过多尺度模型或其他方法 ,考虑小尺 度现象 ,同时对各组成成分应用更实用的本构模型 , 可以更好地领会沥青混合料在各标准状态下的力学 行为 ,此外 ,还可以提高对沥青混合料力学行为预测 的准确度和可行度 。
基于有限元的沥青混合料数值模拟研究
基于有限元的沥青混合料数值模拟研究李运华【摘要】基于集料-沥青内聚力模型原理构建三种不同沥青混合料的内聚力模型,利用虚拟裂缝闭合技术赋予砂浆材料的扩展有限元属性,通过对模型施加一个位移荷载来分析不同级配界面和砂浆的抗裂性能分析.研究结果表明:不同级配的抗裂性受骨架结构、集料轮廓和形状指标的影响较大.当级配骨架结构不彻底,粗集料松散分布,存在较大砂浆区,往往会对界面造成严重损伤;当相同级配骨架时,粗集料指标对级配界面的抗裂性能成为主要因素;对比不同混合料级配下的SDEG曲和耗散能曲线可知.,当分析能量等宏观指标对级配的性能参数影响作用时,由于未考虑到级配间细观参数的作用导致级配的抗裂性能并不明显,细观结构参数下级配砂浆和界面抗裂性能和变化规律均表现出较大的相异性.%The article is based on the principle of aggregate and asphalt cohesion model constructs a model of cohesion in three different asphalt mixture,using the virtual crack closure technique to extended finite element properties of slurry material,through a displacement loading of the model to analysis different gradation analysis interface and crack resistance of cement mortar.The results show that the anti-cracking resistance of the non-homogenicity is significantly affected by the skeleton structure,aggregate profile and shape index.When the structure of grade distribution skeleton is not complete,the coarse aggregate is loosely distributed,and there is a large slurry region,which can cause serious damage to the interface.When the same level of the skeleton,the coarse aggregate index is the main factor for the anti-crack performance of the graded interface.Contrast of SDEG curve underdifferent mixture gradation and dissipation curve shows that when analyzing energy macroeconomic indicators such as impact on the performance parameters of grading,due to not considering the grading between the function of the mesoscopic parameters lead to the grading anti-crack performance is not obvious,the mesoscopic structure parameters with mortar and interface crack resistance at a lower level and change law showed significant differences.【期刊名称】《公路工程》【年(卷),期】2018(043)001【总页数】5页(P265-269)【关键词】沥青混合料;级配;内聚力模型【作者】李运华【作者单位】河南大学土木建筑学院,河南开封475004【正文语种】中文【中图分类】U4140 前言沥青混合料是一种由复杂流变的沥青胶浆、表面特性集料和随机分布孔隙构成的混合物，混合料的力学性能受组织微观结构和分布特性会表现出较大的差异[1-3]。
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近年来 研究 表 明 ， 青 混 凝 土 的力 学行 为 远 沥
比人们认识 到 的复杂 ， 性能 既受 沥青 、 料和 孔 其 集 隙 的体 积含 量影 响 ， 受这 些 因素 的 空 间分 布 影 也
ａ ）初 始 状 态
＊国 家 自然 科 学 基 金 项 目资 助 （ 准 号 １ ３ ２ ７ ） 批 ０ ７ ０ ５
耐久性有着 密切 的联 系 。 目前 沥青 混 凝 土类 材料 力 学性能 的研究 ， 都 是建 立 在 试 验 的研 究 基础 大
上， 需要 花 费 大量 的人力 、 力 ， 物 所得 到 的 试验成
９ 代 ， 国公 路 发 展 战略 研 究计 划 （ ＨＲＰ 就 ０年 美 Ｓ ）
开展 了利用 Ｃ Ｔ技 术 研究 混合 料 心样 内部 结构 的 工作 ， 为 Ｃ 认 Ｔ技 术可 以更 合理 、 有效 地定 量分 析
摘
要 在对 沥青 路面心样进行轴 向压缩疲劳试 验时 ， 合 Ｃ 结 Ｔ扫描技 术拍摄 了不 同疲劳 阶段 下
沥青混凝土 的细观结构图像 ， 利用细观力学 及断 裂力学 方法建立 了一 细观 模型 ， 运用 有限元 程序
对 试 件 的宏 观 裂 纹 形 成 这 ～ 复 杂 过 程 进 行 了模 拟 。结 果 表 明 ， 模 型 能 有 效 模 拟 材 料 的损 伤 演 化 该 过程 ， 有限的实验研究基础 上 ， 用细观力学方法数值模 拟沥青混凝 土的 力学性能 是可行 的， 在 运 以
弥 补试 验 的不 足 。
关键词 沥青 混凝 土 细观损伤
数值模拟
沥青混 合料 是 具 有 复 杂 结 构 的 非 均质 、 多相 （ 相、 气 液相 、 固相） 多层 次 （ 观 、 观 、 和 微 细 宏观 ） 的
响 。采用 先进 的实 验 技 术 ， 引入 损 伤 、 均 匀 、 非 不
像 的处 理 ， 立 一 细 观 模 型 对 试件 的破 坏 过程 进 建
料 本身 的复杂性 ， 得试 验成 果 相对离 散 ， 以反 使 难 映实际沥青 混凝 土 的真 实力 学性 能指 标 从沥青
混 凝土 的细 观 结构 人 手 ， 用 细观 力 学 的研 究 方 利 法， 抓住沥 青混 凝 土材 料及 其 力 学 性 质 的非 均匀
层 厚度 （ ６ ～２ ０ｍｍ， １０ ０ 包括 表 面层 、 中面层 、 底面
成 为 国内外 学者 研究 沥青 混凝 土材料 力学 性能 的
主要 研究方 法 之 一［ 。从 细观 角 度 出 发 ， 青 混 １ ］ 沥
凝 土可视 为 由沥 青 基 质 为 基 相 ， 骨 料 为分 散 相 粗 和孔 隙组成 的三 相 复 合 材 料 ， 一种 细观 表 现 为 是
果 又往往 圃于试 验 条 件 、 境 条 件 等 的变 化 及材 环
芯样 内部 各 组分 的真 实分 布 。本文借 助室 内疲 ］
劳 试验 ， 对沥 青 混 凝 土 材料 细 观 结构 演 化 进行 了 基 于 Ｃ 图像 分 析 的 细观 力 学研 究 ， 过对 沥 青 Ｔ 通 混 凝 土试 件 在疲 劳 试验 过程 中的细观 结构 演化 图
收稿 日期 ：０ ５１－０ ２ ０ 一０１
ｂ ）破 坏 状 态
图 １ 沥 青 混 凝 土 损 伤 演 化 的 典 型 Ｃ 扫 描 图像 Ｔ
维普资讯
２０ ０ ６年第 １ 期
李 芬等 ： 沥青混凝土材料细观损伤 的数值 模拟
２ 沥青混 凝土 材料 细观 结 构 的数值 模 拟 ２ １ 沥青混 凝 土材 料 的细 观损 伤模 型 ．
维普资讯
总第 ２４ １ 期 ２０ ０ ６年第 ｌ 期
Ｓ ｒ ｌ ． １ ｅｉ ａ Ｎｏ ２ ４
Ｎｏ １ Ｆ ｂ ２ ０ ． ｅ ． ０ ６
沥 青 混 凝 土材 料 细观 损 伤 的数 值 模 拟 ＊
李 芬 沈 成 武 杨 吉新
（ 汉理工大学交通学院 武 武汉 ４０６） ３０ ３
性， 结合 理论 和试 验 成果 ， 立数 值 模 型 ， 沥青 建 对
混凝 土材料 的力 学 性 能 和 破 坏 过 程 进 行 研究 ， 已
行模 拟 。所采 用 的 试件 为实 际路 面 钻 取 的 芯样 。 试样 直径 为 １ ０ｉｍ， 样 高 度 为 沥青 混凝 土面 ０ ｌ 试 ｌ
连续 的概 念研 究 其 内部 结 构 ， 分 析 其 受 力破 损 并
过程 中结构 的变 化 ， 混 合料 的设 计 、 能评 价具 对 性 有重 要意 义 。Ｃ Ｔ技 术 的 出现 为研 究 沥 青混 凝 土
材料 细 观破坏 机 理提 供 了一 种有 效方 法 。上 世纪
复 合材料体 系 ， 宏 观行 为所 表现 的不规则 性 、 其 不 确 定性 、 模糊 性 、 非线 性 等 特 征 。 是 其微 观 结构 正 复 杂性 的反 映 ， 内 部 结构 特征 与其 力 学 行 为 和 其
应用 Ｃ Ｔ扫 描技术 拍 摄 了不 同疲 劳 阶段 下沥 青混 凝 土的细观 结构 图像 ， 利用 细观 力 学 及 断裂 力学
方 法建立 了一 细观 模 型 ， 运用 有 限元 程 序 对 压 缩
疲 劳试件 的破坏 全过 程进 行 了数值 模 拟 。 １ 沥青混 凝土 材料 的细 观结 构研 究
非 均质性 的 多相 非 金 属 脆 性 材 料Ｌ 。因 此 ， 文 ２ ｊ 本
层） 。面层结 构 从 上 往 下 依 次 为 ： 面层 为 ４ ｃ 上 ｍ
ｓ ｐ ｒａ ｅ ２ ５的抗 滑 表层 。 ｕ ｅｐ ｖ ｌ ． 中面层 为 ６ｃ 厚 的 ｍ ＡＣ ２ Ｉ 沥 青 混 凝 ± ， 面层 为 ６ｃ 厚 的 ＡＣ 一０ 型 下 ｍ 一 ２ Ｓ沥青 混凝 土 。在 疲 劳试 验 过 程 中得 到 的典型 ０ 扫 描 图像 见 图 １ 。
拉强 度 “ 大于 其承 受 的 主拉 应力 ； ， 时 则此 载荷 下 的损 伤演 化 已达 到稳 定 。 通过 上 述计 算 过 程 ， 可 以模 拟 分析 出在 外 就