沥青混合料损伤演化的多尺度模拟
沥青混凝土材料细观损伤的数值模拟
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
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。
混凝土结构中多尺度分析方法研究
混凝土结构中多尺度分析方法研究多尺度分析方法在混凝土结构研究中具有重要的意义。
混凝土作为一种常见的建筑材料，在各种工程结构中得到广泛应用。
为了确保结构的安全性和可靠性，必须深入了解混凝土材料的多尺度特性，并采用适当的分析方法。
本文将从多尺度分析方法的基本原理、研究进展以及其在混凝土结构中的应用等方面进行探讨。
一、多尺度分析方法的基本原理多尺度分析是指在不同尺度下对材料或结构进行细致的研究和分析，并将各个尺度的信息相互关联和耦合。
这一方法基于尺度效应的概念，即同一材料在不同尺度下具有不同的力学特性。
通过多尺度分析，可以更全面地认识和描述材料或结构的力学行为及其变化规律。
多尺度分析方法包括宏观尺度、中观尺度和微观尺度三个层次。
宏观尺度主要考虑结构整体的行为和响应，采用有限元分析等方法进行模拟和计算。
中观尺度关注局部细节和损伤行为，通常运用离散元法等方法进行模拟。
微观尺度考虑材料的内部结构和原子间相互作用，常常采用分子动力学模拟等方法。
二、多尺度分析方法研究进展近年来，多尺度分析方法在混凝土结构研究领域得到了广泛应用和深入发展。
研究者们通过将实验测试、数值模拟和理论分析相结合，不断提高多尺度分析方法的准确性和可靠性。
在宏观尺度上，研究者们基于有限元分析方法，对混凝土结构在不同工况下的受力性能进行了研究。
通过建立合适的本构模型和边界条件，可以对结构的应力分布、变形行为和破坏机制进行模拟和预测。
在中观尺度上，研究者们主要关注混凝土的损伤和疲劳行为。
通过离散元法等方法，可以模拟混凝土在加载过程中的裂纹扩展、局部破坏和损伤累积等行为。
这对于预测结构的寿命和耐久性具有重要意义。
在微观尺度上，研究者们关注混凝土材料的内部结构和微观特性。
通过分子动力学模拟等方法，可以揭示混凝土材料的原子间相互作用和微观力学行为。
这有助于深入理解混凝土的力学特性和性能机制。
三、多尺度分析方法在混凝土结构中的应用多尺度分析方法在混凝土结构中有着广泛的应用价值。
工程结构的多尺度损伤建模研究
工程结构的多尺度损伤建模研究工程结构是指人类为了满足各种需求而建造的工程，如桥梁、建筑、飞机等。
在长时间的使用和受力过程中，由于疲劳、腐蚀、老化等原因，这些工程结构会产生各种不同的损伤，可能导致结构破坏或失效。
因此，多尺度损伤建模研究成为了目前工程结构安全保障的关键技术之一。
多尺度损伤建模是指将宏观层面的损伤现象和微观层面的材料结构联系起来，建立一种有效的模型，对结构的损伤、疲劳、破坏等问题进行预测、诊断和修复，从而提高结构的安全性和可靠性。
多尺度损伤建模可以分为宏观尺度、介观尺度和微观尺度三个层次。
在宏观尺度上，多尺度损伤建模主要关注结构的整体性能和宏观损伤演化规律。
目前，基于有限元分析的宏观尺度损伤模型已经取得了一定的进展。
例如，基于连续介质力学理论，可以采用弹性本构模型和损伤本构模型来描述结构的宏观材料行为，从而分析结构的应力、应变和塑性变形等问题。
此外，还可以采用非线性动力学、疲劳损伤和断裂力学等多种理论方法，预测结构在复杂载荷作用下的静力和动态响应。
在介观尺度上，多尺度损伤建模主要关注结构的局部损伤和裂纹扩展问题。
介观尺度损伤模型可以采用离散元法、晶体塑性理论、断裂力学和粘弹性理论等多种方法。
例如，离散元法可以描述材料内部的微观力学行为，从而分析材料的断裂和裂纹扩展问题。
相比之下，粘弹性理论适用于多孔介质、软组织和高分子材料等具有非线性损伤特性的材料。
在微观尺度上，多尺度损伤建模主要关注材料的微观结构和成分，以及其对结构性能的影响。
微观尺度的损伤模型可以采用分子动力学、原子层堆叠等方法。
例如，分子动力学可以模拟材料的原子结构和内部强弱子作用，从而分析材料的弹性和断裂特性。
此外，还可以采用原子层堆叠方法，研究两种材料之间的界面特性和耐久性。
总之，多尺度损伤建模研究是一个复杂而又重要的领域，应用范围广泛，涉及材料科学、力学、化学和电子学等多个领域。
目前，多尺度损伤建模方法的发展趋势是集成多种理论，提高计算效率和可靠性，以及拓展跨学科交叉应用的研究。
材料力学行为的多尺度模拟与分析
材料力学行为的多尺度模拟与分析材料力学行为是研究材料在外力作用下的变形、破坏和失效等现象的学科。
多尺度模拟与分析则是一种研究方法，旨在从不同尺度上理解和解释材料力学行为的本质。
本文将介绍多尺度模拟与分析在材料力学领域的应用，并探讨其意义与前景。
一、尺度效应与多尺度模拟材料存在着尺度效应，即材料在不同尺度上具有不同的力学行为。
以纳米材料为例，由于其尺寸接近原子尺度，其力学性质受到原子间作用的影响，具有明显的尺度效应。
随着材料研究的深入，人们逐渐认识到单纯从宏观尺度上研究材料的力学行为是不够全面和准确的，因此出现了多尺度模拟方法。
多尺度模拟是一种将材料力学行为从宏观到微观各个尺度上进行综合建模和仿真的方法。
其核心思想是将材料分为不同层次的子系统，通过子系统间的相互作用来模拟和分析材料的力学行为。
常见的多尺度模拟方法包括分子动力学模拟、有限元方法和连续介质力学模拟等。
二、多尺度模拟的应用多尺度模拟在材料力学领域有着广泛的应用。
首先，多尺度模拟能够帮助人们深入研究材料的本质力学行为。
通过将材料分解为不同尺度的子系统，并建立相应的物理数学模型，可以揭示材料在微观尺度上的内部机制和动力学过程。
这对于理解材料的结构、性能与行为之间的关系具有重要意义。
其次，多尺度模拟能够预测材料的宏观力学性能。
通过模拟材料在不同尺度下的行为，可以得到材料在宏观尺度上的物理性质，如强度、刚度和韧性等。
这将有助于人们设计出更高性能的材料，并指导实际工程中的材料选择和应用。
此外，多尺度模拟还可以研究材料的破坏与失效机制。
在材料受到外界载荷作用下，通过模拟和分析材料在不同尺度下的破坏模式和损伤演化过程，可以识别材料的弱点，并提出相应的改进措施，以提高材料的破坏韧性和可靠性。
三、多尺度模拟的挑战与前景多尺度模拟虽然在材料力学领域有着广泛的应用，但仍然面临着一些挑战。
首先，多尺度模拟的建模和计算过程较为复杂，需要耗费大量的时间和计算资源。
沥青混合料开裂行为多尺度研究
沥青混合料开裂行为多尺度研究0.引言在“白改黑”路面结构中水泥板充当了半刚性基础，已存在的旧裂缝加剧了沥青路面的反射开裂现象，极大的影响了道路的使用寿命。
对于沥青路面层的开裂行为的研究极为迫切。
通常对开裂行为的研究分为室内实验和数值仿真两种手段，当前的研究重点在找出其混合料内在性质与开裂行为的联系。
本文的主要研究内容是总结归纳国内外对于沥青路面层开裂的研究现状，并分析其使用的方法及指标，得出开裂机理以预防开裂行为。
1.沥青路面开裂行为试验研究沥青混合料的宏观裂纹是细微结构裂纹扩展、局部损伤演化的累积效应，是力学响应的耦合作用。
路面结构内部裂缝的产生可以分为萌生、发展、失稳三个阶段，把握宏观、细观、微观的结构特征对裂缝发展影响机理，实现沥青混合料开裂行为的多尺度研究。
1.1宏观尺度下的开裂研究基于断裂力学理论分析宏观尺度路面结构的力学响应和裂缝扩展规律。
基于常规的沥青混合料试验方法开展劈裂或者小梁弯曲试验，研究可表征宏观开裂行为的特征参数。
Hui Wei[1]等采用声发射仪监测小梁三点弯曲试验，发现声发射特征参数与试件裂纹扩展存在相关性，可用于试件宏观裂缝断裂预警；三维定位可以有效地跟踪试件主裂纹面的位置，反映沥青混凝土低温开裂的动态演化过程。
陈正伟[2]等通过半圆弯拉（SCB）试验分析不同RAP掺量和沥青老化程度的再生沥青混合料抗裂性能，发现高RAP掺量的再生沥青混合料的抗开裂能力较差，采用柔性指数可以评价沥青混合料的抗裂性能。
宋卫民[3]等基于断裂力学理论分析了不同温度和RAP掺量下再生沥青混合料的中低温抗裂性能。
发现-10℃时RAP掺量为25%的沥青混合料应力强度因子()最大，但断裂能随着RAP掺量增加逐渐降低；25℃时可以用等效应力强度因子（）评价沥青混凝土的中温断裂韧性。
杜健欢[4]等通过间接拉伸试验研究骨架结构的沥青混合料低温抗裂性能及裂纹扩展情况。
Zhenghua Lyu[5]借助扫描电镜揭示水泥乳化沥青砂浆的开裂机理，发现在微裂纹形成和现象学的疲劳破坏两个阶段疲劳位移有一个转折点存在，可表征混合料内部损伤的加剧、宏观裂纹的形成和模量的降低。
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 。
多孔沥青混合料粘弹塑性损伤模型_易军艳
该模型的连续方程可使用积分形式表 示
［15 ］
为
σ 珚= E0 ε +
∫
t
0
G 1（ t － τ ） ε （ τ） dτ +
－t
∫G（t dτ = E 0 ε + λ 1 ε ( 1 － e t1 ) + λ 2 ε ( 1 － e t2 ) ． τ） ε （ 4） t 2 为松弛时间， t2 = λ2 / E2 ； ε t1 = λ1 / E1 ， 式中： t 1 、 MPa； E 0 、 E1 、 E 2 为弹性 为应变率； G 为松弛模量， λ 2 为粘度分量． 模量分量； λ 1 、 积分型本构方程当进行数据拟合时， 需对其 离散化， 即 构 建 增 量 型 本 构 方 程， 因此改写式 （ 4） 为 Δε = dε =
ve ve
为 φ（ ε） = n （ ε － γ） m
n－1
e
－ （ ε － γ） n m
．
（ 1）
n 为模型参数， 其中： m， γ 为损伤时应变门槛值． 假设损伤因子 D 变化率满足 Weibull 分布， 即 d D / d ε = φ（ ε） ， 则损伤因子可写为 D=
Δσ 珚 珚－ σ 2( e
Abstract： To characterize the mechanical behaviors of porous asphalt mixtures under loading at normal and low temperatures，a viscoelasticplastic damage model，which includes Weibull damage function ，Generalized Maxwell and DruckerPrager model，was presented based on incremental constitutive equation． Experimental data from uniaxial compressive strength tests conducted at different strain rate and different temperature were used to validate the efficacy of the model，and the change rules of model parameters in different temperatures and loading rates were investigated． The test and analysis results show that parameters in viscoelastic model begin to behave like the elastic materials． The volume modulus and shear modulus also show obvious viscoelastic properties along with the changes of temperature and load rate． Additionally the strain plastic strain initializes keep almost same to the critical damage strain ，which accommodate to the presented hypothesis． The damage curves of porous asphalt mixtures can also reveal the effects of different temperature and load rate． This model can successfully characterize the damage and mechanical behaviors of porous asphalt mixtures at normal and low temperatures． Keywords： road engineering ； porous asphalt mixture ； viscoelasticity； plasticity； damage 由于抗滑、 降噪、 雨天行驶安全等优点， 多孔 沥青混合料愈来愈得到国内外道路工作者的重 ［1－3 ］ ． 但是， 容易堵塞， 且由于结 由于空隙较大， 视 构组成与常规密级配沥青混合料不同， 强度仅靠
沥青混合料流变历程与模量演变
沥青混合料流变历程与模量演变张宏超;王健;郭仪南;吴迪【摘要】为了解沥青混合料的流变特性,采用MMLS3进行沥青混合料的足尺（Full scale）加速加载试验,并利用便携式路面分析仪对沥青混合料流变后的隆起和下陷部分的地震波模量进行测量.试验结果表明：在荷载作用下,沥青混合料下陷量与隆起量的变化值不等;并且下陷处的地震波模量逐渐增大并趋于稳定,而隆起处的地震波模量在逐渐减小.试验证明沥青混合料呈现非匀质流变,流变后的隆起处与下陷处的力学特性变化规律相异.%In order to study the rheological properties of asphalt mixture,MMLS3 was used to conduct full scale accelerated loading test and PSPA was used to test seismic modulus of upheaval and sag when asphalt mixture came into the stage of flowing deformation.The test results showed that the sag and upheaval changed with different degree of variations under the loads,and the seismic modulus of sag increased gradually and tended to be stable,while the seismic modulus of upheaval decreased gradually.It can be proved that asphalt mixture presents non-uniformity rheological course and the change law of mechanical properties of upheaval is totally different from that of sag.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2011(043)012【总页数】4页(P124-127)【关键词】沥青路面;流变特性;地震波技术;便携式路面分析仪;行车荷载模拟设备;地震波模量【作者】张宏超;王健;郭仪南;吴迪【作者单位】同济大学交通运输工程学院道路与机场工程系,上海201804;同济大学交通运输工程学院道路与机场工程系,上海201804／山东高速路桥养护有限公司,济南250031;同济大学交通运输工程学院道路与机场工程系,上海201804／成都交通投资集团有限公司,成都100048;同济大学交通运输工程学院道路与机场工程系,上海201804【正文语种】中文【中图分类】U416.217近年来，我国的道路交通出现了一些新的特点，即多轴次、重轴载、高轮压在交通组成的比重中越来越大，以及交通流的高度渠化[1].这使沥青路面的表面流变特性表现得更加显著，具体表现在沥青混合料流变后产生的车辙病害更加突出，并出现了车辙的影响深度增大、变形速度增快等一些新的特点.目前对沥青路面流变型车辙的研究只能依靠经验性方法，这些方法中，采用固定温度、简化荷载的轮辙试验可用来评价沥青混凝土的高温变形性质，试验结果与实际情况建立的回归关系表明了该试验的有限效果[2];或者采用大型的加速加载设备，模拟若干组实际轮载作用下沥青路面的变形，如ALF(Accelerated loading facility)[3]、HVS(Heavy vehicle simulator)[4]等.而上述的这些经验性试验方法都不能获得测试过程中的沥青混合料流变变形的力学信息.采用对路面芯样后进行的常规力学试验，既费时费力，又破坏了路面的连续性，往往无法得到沥青混合料力学特性连续的演变规律.因此，本文采用MMLS3加速加载设备在现场铺筑的足尺(Fullscale)试验试槽上，在60℃的环境温度下进行加速加载，并采用地震波模量测试仪PSPA——非破坏性测试(Non-destructive test，NDT)设备，对试验路面变形隆起部位和下陷部位进行地震波模量连续跟踪测量，通过分析得出了沥青路面流变历程中其地震波模量的演变规律.1 试验设备与材料1.1 MMLS3MMLS3(Model mobile load simulator)是南非开发的一种小型加速加载设备[5]，如图1所示.MMLS3长2 400 mm，宽600 mm，高1 200 mm，采用4组胶轮对试验试件或实际路面进行加载.轮胎直径300 mm，宽80 mm，大致相当于标准轮胎的1/3.轮胎接地压力为0.56～0.80 MPa，接地荷载为1.9 ～2.7 kN.运行最大速度为2.5 m/s，转速为120 r/min.MMLS3配有加热系统，既可以空气加热又可以水浴加热，可以进行不同温度条件下的试验.本文采用轮胎气压为0.7 MPa，接地荷载为2.7 kN，转速为120 r/min.试验采用空气加热，试验温度为60℃.图1 MMLS3照片1.2 沥青路面足尺结构试槽信息本文铺筑的试验试槽采用10 cm的水泥稳定碎石上铺筑10 cm的AC－13C型沥青混合料.AC－13C型沥青混合料级配采用文献[6]所规定的级配中值.采用湖州鹿山坞辉绿岩集料，选用AK－SBS改性沥青.采用马歇尔试验方法最终确定最佳油石比为5.2%，所用沥青混合料采用现场拌制，压实温度在160℃以上，压实后，采用钻芯取样测得的压实度大于96%.2 地震波模量测量方法2.1 地震波测量原理及其试验方法地震波路面分析技术是美国德克萨斯州大学依托战略公路研究计划(SHRP)开发出的一套无损路面测试技术[7].该地震波技术的目的在不破坏路面连续性的前提下，可获得路面结构的劲度模量和各层厚度，为路面的力学计算以及施工验收提供重要依据.地震波设备原理是通过一个产生地震波的发生器，通过测量至少2个以上接收器之间传播的瑞利波波速，获得接收器下方路面表层的平均地震波模量[8].通过频散曲线可以获得路面的沿深度的模量分布，这可以用来获得路面结构中各层的深度.德州大学由此开发出了PSPA(Portable seismic pavement analyzer，便携式路面分析仪)[9]，如图 2 所示.图2 地震波路面分析仪2.2 地震波模量与设计模量的相关性地震波模量是高频低应变时的弹性模量，其发出的频率从几十赫兹到十几千赫兹[8]，故地震波模量并不能代表路面在实际的荷载作用情况下所反映出来的劲度模量，必须要进行转换才能得到设计时所需要的模量.国外的一些研究提出了从地震波模量到设计模量的转化公式[10]为式中:Edesign为设计模量;Eseis为地震波模量;σc－ult为最大车辆荷载作用时测量深度处的围压;σc－init为无荷载作用时测量深度处的围压;σd－ult为最大车辆荷载作用时测量深度处的偏应力;σd－init为无荷载作用时测量深度处的偏应力;k2，k3均为回归系数，由室内回弹模量试验确定.由上式可见，对于同一种沥青混合料，在同一种工况下，其测量深度处的围压、偏应力在最大车辆荷载作用时和无荷载作用时的数值大小应该是一样的，并且k2、k3等回归系数也应该是固定的.由此，由上式可得出，在本文所采用的试验状况下，在20℃下测得的沥青混凝土的地震波模量与其在20℃情况下测得的设计模量呈现线性关系.因此，本文所测得的沥青混凝土流变历程中的地震波模量的变化规律可以很准确地反映其设计模量的变化规律.3 试验试槽结果分析3.1 MMSL3作用下沥青混合料流变结果分析本文利用MMLS3加速加载设备，所设定的轮胎的气压为0.7 MPa，接地荷载为2.7 kN，在60℃的温度下，在120 r/min转速下对试验试槽进行加载试验.所得到的沥青混合料永久变形试验结果如图3所示.图3 不同加载次数下车辙横断面曲线由图3可以得出，在荷载的作用下，沥青混合料产生了明显的流变现象，横向在轮迹带上产生明显的下陷，在轮迹的两侧呈现明显的隆起.由于MMLS3为单轮作用，横断面呈现明显的“M”形.并且随着加载次数的增加，沥青面层的隆起与下陷变形量都逐渐变大，轮迹带的两侧以及轮迹处的变形较为明显.本文对荷载作用后，车辙横断面的隆起面积与下陷面积进行了整理，结果如表1与图4所示，可见，下陷面积和隆起面积随着荷载次数的增加均有所增加，并呈现明显的指数函数关系.并且，在不同的加载次数作用下，下陷的面积、隆起的面积以及两者的差值均在不断地变化.这表明，在荷载作用下的沥青混合料流变历程中，粘滞流变和压实作用是同时存在的.只是在不同的阶段所占的比例不同.由表1可知，在荷载作用4 000次之前，下陷面积与隆起面积的差值增加，这表明压实作用在荷载作用前期表现更加明显.在荷载作用4 000次之后，下陷面积与隆起面积的差值减小，这表明轮迹作用处的压实作用减弱，沥青混合料的粘滞流变作用表现更加明显，轮迹下的沥青混凝土在剪应力的作用下发生了剪切流动，并且这种剪切流动是一种非匀质流变.表1 车辙横断面隆起面积与下陷面积荷载作用次数下陷面积/cm2 隆起面积/cm2 2 000 1.428 0.831 4 000 1.706 0.885 10 000 1.825 1.263 50 000 2.102 1.633 150 000 2.243 1.786 250 000 2.281 1.835图4 车辙横断面隆起面积与下陷面积变化3.2 PSPA地震波模量测量结果分析利用PSPA地震波模量检测设备对轮迹处以及隆起最高处的沥青混凝土模量在20℃的温度下进行了测量.测量结果如表2、表3和图5所示.表2 不同荷载作用次数下隆起处地震波模量变化测量序号地震波模量/GPa 0次2×103次4×103次 104次5×104次1.5×105次2.5×105次1 11.2 10.6 9.3 8.7 7.8 7.5 7.1 2 11.1 10.3 9.3 8.8 8.2 7.6 7.0 3 11.1 11.2 9.4 8.5 8.1 7.7 7.2 4 10.9 10.8 9.1 9.0 8.0 7.4 6.9 5 10.7 10.9 9.4 8.9 8.1 7.7 7.1表3 下陷处地震波模量随荷载作用次数变化测量序号地震波模量/GPa 0次2×103次4×103次 104次5×104次1.5×105次2.5×105次1 11.2 11.4 12 12.3 12.7 12.4 12.3 2 11.1 11.1 11.6 12.4 12.6 12.3 12.5 3 11.1 11.2 11.4 11.9 12.1 12.4 12.6 4 10.9 11.3 11.9 12.4 11.9 12.6 12.4 5 10.7 11.4 11.8 12.5 12.6 12.9 12.2 图5 下陷处与隆起处地震波模量随荷载作用次数变化可见，沥青混凝土在荷载的作用下，其地震波模量发生了明显了变化.在隆起处，其模量发生了明显的下降;在下陷处，其模量发生了明显的增加.并且随着加载次数的增加，在隆起处的模量随着荷载次数的增加表现为明显的指数函数下降关系.但在下陷处，在10 000次之前，其模量发生明显的线性增加关系，而10 000次之后，其模量基本保持不变.本文认为，由于试验是在60℃的高温下进行加载，随着荷载作用次数的增加，沥青以及沥青胶浆便发生流动，从而使混合料的骨架作用失稳，这部分半固态物质除了部分填充混合料的空隙外，还将发生沥青混合料的剪切流动，从而一部分混合料从轮迹处流动到了两侧的下方，从而造成了两侧的隆起，如图3所示.而轮迹两侧混合料的上部并没有外部混合料填充，在其被隆起的过程中，隆起高度并不完全相同，证明其中发生了结构及空隙率等体积指标的改变.由于隆起处下方新料的填充以及隆起处上方混合料结构的改变，造成了隆起处沥青混合料的空隙率随着加载次数的增加而增大，从而地震波模量也发生了明显的变化.在下陷处，由于荷载作用前期，压实作用变现得比较明显，随着轮迹处混合料被逐步压实，其地震波模量发生了明显的增加.而随着荷载次数进一步增加，混合料的压实效果逐步减弱，而剪切流动显现表现得更加明显.由于轮迹处的压实程度逐渐稳定下来，其结构和空隙率也渐渐保持稳定，从而其地震波模量在荷载作用后期并没有发生明显的改变.4 结论1)随着加载次数的变化，下陷面积与隆起面积的变化值不等，证实压实与隆起部位的混合料密度变化不同，车辙变形呈现非匀质流变.2)通过PSPA对荷载作用后沥青混合料隆起部分和下陷部分地震波模量的测量，证明了荷载作用后沥青混合料密度的不同，说明其力学性能因流变发生了明显的变化，抗变形能力也呈现不同的变化规律.3)通过试验，进一步证明车辙是轮迹带压实造成侧向流动形成的，而且具有一定的发展规律.在加载作用前期，主要表现为下陷处的压实阶段;在加载作用后期，主要表现为下陷处的混合料向隆起处的非匀质流变阶段.4)得出了沥青混合料在荷载与高温因素耦合作用下的沥青混合料的流变规律与地震波模量的变化规律，对沥青路面产生永久变形及发展历程的研究提供了一种新的无损测量研究方法.参考文献:[1]鲁正兰，孙立军.沥青路面车辙预估方法的研究[J].同济大学学报:自然科学版，2007，35(11):1476－1480.[2]OLIVER J W H，TREDREA P F.Relationships between asphalt rut resistance and binder rheological properties[C]//Association ofAsphaltPaving Technologists Schedule for 2004 Annual Meeting and Technical Sessions.Baton Rouge:AAPT，2004:623 －643.[3]HUA Jiangfeng.Finite element modeling and analysis of accelerated pavement testing devices and rutting phenomenon[D].WestLafayette:Purdure University，2000.[4]曹林涛，李立寒，苏洲，等.沥青混合料车辙试件成型控制研究[J].建筑材料学报，2007，10(3):313 －317.[5]KOLSTEIN M H.Economic optimization of thick wearing and isolation courses on steel bridge decks[R].Dutch:Dell Ford Polytechnic University Press，1990.[6]JTG D50－2006.公路沥青路面设计规范[S].北京:中华人民共和国交通部，2006.[7]GUCUNSKI N，MAHER A.Evaluation of seismic pavement analyzer for pavement condition monitoring[R].New Jersey:Department of Civil＆Environmental Engineering at Rutgers University，2002.[8]BAKER M R，CRAIN K，NAZARIAN S.Determination of pavement thickness with a new ultrasonic device[R].El Paso:Center for Highway Materials Research，University of Texas at El Paso，1995.[9]NAZARIAN S，ALVARADO G.Impact of temperature gradient on modulus of asphaltic concrete layers[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2007，18(4):492－499.[10]NAZARIAN S，YUAN D.Quality management of flexible pavement layers with seismic methods[R].El Paso:Center for Transportation Infrastructure Systems，University of Texas at El Paso，2005.。
基于改进遗传算法的公路沥青混凝土路面黏弹性损伤演化模拟
１２８
３７ 卷
粉煤灰综合利用
道桥技术
ìïＰ １ ｅ ｈ
ï
－ｂ ｈ
ïＰ ２ ｅ
ï
(５)
Ｔ ｉ ( ｂ ｉ ꎬ ｈ ｉ ) ＝ íＰ ３ ｅ －ｂ ｈ
ï
ï⋮
ïï －ｂ ｈ
îＰ ｉ ｅ
式中: Ｔ ｉ 为当前的地表环境温度ꎻ Ｐ ｉ 为两个路层之
－ｂ １
１
２ ２
３ ３
ｉ
ｉ
间的温差ꎻ ｂ ｉ 为温差与路面第 ｉ 层深度的控制因子ꎻ
ｖ ｉ 为两个结构层之间的泊松比ꎻ Ｅ ｆ 为上层路面与下
护成本甚至约等于道路的建设成本 [３－４] ꎮ 为减少路
层路面的弹性模量ꎻ Ｒ ｈｚ 为不同公路层间无量纲的
资效益ꎬ 采用模拟分析的方法ꎬ 探究沥青混凝土
剪强度的过渡层路面ꎬ 在一定的荷载作用下可以
面维护成本ꎬ 提高公路的使用寿命ꎬ 提高公路投
第 ３７ 卷 第 １ 期
２０２３ 年 ２ 月
粉煤灰综合利用
ＦＬＹ ＡＳＨ ＣＯＭＰＲＥＨＥＮＳＩＶＥ ＵＴＩＬＩＺＡＴＩＯＮ
Ｖｏｌ.３７ Ｎｏ.１
Ｆｅｂ
２０２３
道桥技术
基于改进遗传算法的公路沥青混凝土路面黏弹性损伤演化模拟
Ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃ Ｄａｍａｇｅ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｓｐｈａｌｔ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｐａｖｅｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
－ ｆ ｃ１ ( ｔ ０ － ｔ １ )
ｌｇ ｙ ｉ ＝
ｆ ｃ２ ＋ ｔ ０ － ｔ １
(９)
式中: ｙ ｉ 为路面损伤模拟仿真中的最低温度界限ꎻ
基于多尺度分析的混凝土结构损伤机理研究
基于多尺度分析的混凝土结构损伤机理研究一、引言混凝土结构是目前广泛应用于建筑、桥梁、水利和交通等方面的主要材料之一。
但是，由于外部荷载、环境因素和材料自身缺陷等原因，混凝土结构在使用过程中难免会出现损伤和破坏。
因此，深入研究混凝土结构的损伤机理对于提高混凝土结构的耐久性和安全性具有重要意义。
二、多尺度分析的基本原理多尺度分析是一种将宏观与微观相结合的研究方法，通过建立多层次的模型来分析物质的性质和行为。
在混凝土结构的损伤机理研究中，多尺度分析可以将整个混凝土结构分为不同的尺度，分别进行研究，并将不同尺度之间的关系联系起来，从而全面深入地了解混凝土结构的损伤机理。
三、混凝土结构的多尺度分析1. 宏观尺度宏观尺度是指整个混凝土结构的尺度，其中包含了结构的受力、变形、裂缝扩展等方面的信息。
在宏观尺度下，可以采用有限元分析等方法，对结构的受力和变形进行模拟和分析，从而了解结构的强度和稳定性。
2. 中观尺度中观尺度是指混凝土结构中的微观缺陷和裂缝的尺度范围。
在中观尺度下，可以采用离散元分析等方法，对混凝土中的孔隙、裂缝、颗粒等进行建模和分析，从而了解混凝土的力学性能和破坏机理。
3. 微观尺度微观尺度是指混凝土内部的原子、分子和晶体等微观结构的尺度范围。
在微观尺度下，可以采用分子动力学模拟等方法，对混凝土中的化学反应、原子结构等进行研究，从而了解混凝土的微观机理和性能。
四、混凝土结构的损伤机理研究1. 宏观尺度的损伤机理研究在宏观尺度下，混凝土结构的损伤机理主要表现为受力与变形的累积和裂缝的扩展。
受力与变形的累积会导致混凝土结构的强度和稳定性下降，而裂缝的扩展则会导致结构的严重损伤和破坏。
因此，在宏观尺度下，混凝土结构的损伤机理研究主要关注受力与变形的累积和裂缝扩展的规律，以及结构的强度和稳定性的变化。
2. 中观尺度的损伤机理研究在中观尺度下，混凝土结构的损伤机理主要表现为孔隙和裂缝的形成和扩展。
孔隙和裂缝是混凝土内部的主要缺陷，它们会导致混凝土的强度和韧性下降，从而影响结构的耐久性和安全性。
沥青混合料疲劳_蠕变交互作用损伤模型
中 国 公 路 学 报
China J ournal of H ig hw ay and T ransport
Vol .24 No .4 July 2011
文章编号 :1001-7372(2011)04-0015-06
沥青混合料疲劳-蠕变交互作用损伤模型
复数模量 E ＊全面反映了沥青混合料在周期应力加
载下的动态性质[ 11] , 可以用来定义沥青混合料疲劳
失效过程中的损伤变量 。
2 沥青混合料损伤变量
运用损伤力学的方法研究疲劳问题时 , 需要定
义合适的损伤变量 , 为了描述蠕变损伤和疲劳损伤
共同作用下导致材料疲劳失效的过程 , 利用第 1 节 得出的复数模量 E ＊ , 求出沥青混合料损伤变量 。
破坏状况 , 得到了沥青混合料疲劳寿命预测方程 , 却 没有选择合适的损伤变量来描述损伤的发展过程 。 运用损伤力学从理论上探讨材料的疲劳-蠕变交互 作用机理 , 目前多集中于金属材料研究中[ 8-9] , 对于 沥青混合料 , 刘立新[ 10] 虽然认为材料总的疲劳损伤 由蠕变损伤和疲劳损伤两部分构成 , 但是仅分别给 出了蠕变损伤和疲劳损伤的表达式 , 并未得到两者 综合作用时的损伤表达式 。笔者认为在蠕变损伤和 疲劳损伤综合作用下 , 沥青混合料内部的微裂缝 、微 裂纹逐渐累积并最终导致结构失效 , 因此本文中运 用损伤力学的方法 , 考虑沥青混合料的蠕变性质 , 选 择了一种可以描述蠕变和疲劳效应共同作用的损伤 变量 , 建立了沥青混合料疲劳与蠕变综合作用下的 损伤模型和疲劳寿命预估模型 。
(1 0) (1 1)
故
Q =1 -
E＊ N E＊
(1 2)
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。
基于多尺度分析的混凝土微观损伤模型研究
基于多尺度分析的混凝土微观损伤模型研究一、研究背景混凝土是建筑、道路等基础建设行业中广泛使用的建筑材料。
然而，在使用过程中，混凝土会受到各种外力的作用，从而导致微观损伤，影响其力学性能和耐久性。
因此，研究混凝土微观损伤模型对于提高混凝土的力学性能和耐久性具有重要意义。
二、研究内容本研究基于多尺度分析方法，建立混凝土微观损伤模型，并对其进行分析和验证。
1. 多尺度分析方法多尺度分析方法是一种研究材料微观结构与力学性能之间关系的方法，它将材料结构分为多个层次，对每个层次进行分析，最终得到全局力学性能。
2. 混凝土微观结构混凝土的微观结构包括水泥胶体、骨料、孔隙和裂缝等组成部分。
其中，水泥胶体和骨料之间的相互作用对于混凝土的力学性能影响最大。
3. 混凝土微观损伤模型基于多尺度分析方法，本研究建立了混凝土微观损伤模型。
该模型将混凝土分为三个层次：宏观层次、中观层次和微观层次。
在宏观层次，采用弹塑性本构模型描述混凝土的应力应变关系；在中观层次，采用多孔介质理论分析混凝土中的孔隙和裂缝；在微观层次，采用有限元方法分析混凝土中水泥胶体和骨料之间的相互作用。
4. 模型验证为验证本研究建立的混凝土微观损伤模型的准确性，本研究进行了模型验证实验。
实验结果表明，本研究建立的混凝土微观损伤模型能够较准确地预测混凝土的力学性能和损伤演化过程。
三、研究结论本研究基于多尺度分析方法，建立了混凝土微观损伤模型，并对其进行了分析和验证。
研究结果表明，该模型能够较准确地预测混凝土的力学性能和损伤演化过程，具有一定的实用价值。
然而，该模型仍存在一些不足之处，需要进一步改进和完善。
基于多尺度分析的混凝土结构损伤机理研究
基于多尺度分析的混凝土结构损伤机理研究一、引言混凝土是建筑工程中常用的材料，其具有良好的耐久性和承载能力，但在长期使用过程中，会受到各种因素的影响而出现损伤，影响其使用寿命和安全性。
因此，深入研究混凝土的损伤机理，对于建筑工程的安全性和可靠性具有重要意义。
本文将采用多尺度分析的方法，从微观和宏观两个层次对混凝土结构的损伤机理进行研究，旨在探究混凝土材料的损伤演化过程及其影响因素，并提出相应的预防和修复措施，以保障混凝土结构的安全性。
二、混凝土的损伤机理1. 微观层面混凝土是由水泥、砂、石子等多种材料组成的复合材料，其内部结构复杂，由许多微观组分组成，如水泥基体、石子骨料、气孔、裂隙等。
这些微观组分之间的相互作用和影响是混凝土损伤演化的基础。
（1）水泥基体的损伤水泥基体是混凝土中最主要的组分之一，其内部结构由水泥石、气孔和胶质组成。
在混凝土使用过程中，水泥基体会受到多种因素的影响而出现损伤，如水化反应不完全、干缩、冻融、化学侵蚀等。
这些因素会导致水泥基体中的气孔和裂隙增多，进而影响混凝土的强度和稳定性。
（2）石子骨料的损伤石子骨料是混凝土中的主要骨料之一，其内部结构由晶体和胶结材料组成。
在混凝土使用过程中，石子骨料会受到多种因素的影响而出现损伤，如磨耗、剥落、裂纹等。
这些因素会导致石子骨料的表面破损，进而影响混凝土的强度和稳定性。
（3）气孔和裂隙的形成混凝土中的气孔和裂隙是其内部结构中常见的组分，它们的存在直接影响混凝土的强度和耐久性。
气孔的形成是由于混凝土中的水分蒸发和释放所造成的，而裂隙的形成则是由于混凝土中的应力和变形所导致的。
这些气孔和裂隙的存在会进一步加剧混凝土的损伤程度，降低其使用寿命和安全性。
2. 宏观层面混凝土结构的损伤不仅发生在微观层面上，也会在宏观层面上表现出来。
混凝土结构的宏观损伤主要包括开裂、变形、脱落等，这些损伤会直接影响混凝土结构的承载能力和安全性。
（1）开裂的形成混凝土结构中的开裂是其损伤的主要表现形式之一。
沥青混合料疲劳损伤模型参数实验研究
程 度奠 定 了基础 。
关键词 ：沥青混合 料 ；沥青 胶浆 ；疲 劳损伤 ；模 型参数 ；实验研究
中图分 类号 ：Ｕ４１４
文 献标 志码 ： Ａ
文章 编号 ：１００９—７７１６（２０１８）０６—０２５４—０４
１ 沥青 混凝土疲 劳损伤 损伤模型 选择
１ （蚩 ） ，式中：Ｂ、卢和 是与温度相关
收 稿 日期 ：２０ｔ８—０２—０８ 作者简介 ：张立文 （１９８６一 ），男 ，山东 日照人 ，工程师 ，从事道 路 工程设计工作 。
的材料参数 ，Ｂ还依赖于平均应力 ，Ｂ＝ （ ）。 １．２ 国 内外 的沥 青 类材 料 疲劳 损 伤 的模 型 探 索
在疲 劳损 伤模 型 的 建 立 与 疲 劳 损 伤 理 论 应 用 于 沥 青路 面结 构 分 析 方 面 ， 国外 已经 做 了不 少 的 工作 ，见表 ２。 １．３ 文章 损伤 模 型 主 要考 虑
２ 沥青混合料 疲劳损伤 模型 参数 实验研究
Ｌｅｍａｉｔｒｅ模 型 中 损 伤 度 的 表 达 式 为 Ｄ＝Ｉ一
（１一 ） ，在后续分析中认为损伤增长速率近
２０１８年 ６月第 ６期
城 市道 桥 与 防 洪
科技研究 ２５５
唐雪松［５１ 沥青混合料疲劳过程 的损伤力学分析
悬壁梁弯 曲疲劳实验
摘 要 ：首 先介 绍疲劳 累积 损伤定 律在 沥青 类 材料 中 的应 用 ，针对 不 同模 型 的特点 及应 用条 件 ，采用 Ｌｅｍａｉｔｒｅ疲 劳 累积损 伤
模 型作 为沥青 混合 料疲 劳损伤 模型 ，通 过进行 疲 劳损 伤实验 设计 ，获得 沥青 类材 料疲 劳损 伤特 性参 数 ，为计 算材 料疲 劳损 伤
沥青混合料疲劳损伤参数的反演与验证
沥青混合料疲劳损伤参数的反演与验证王波;韩丁【摘要】采用应力-损伤全耦合的方法，以断裂韧度为阀值，基于试验数据反算了损伤演化方程的参数，并用不同加载应力比的试验数据验证了反算参数的寿命预估精度，结果表明：本构模型中包含损伤演化方程的有限元仿真能够模拟沥青混合料小梁试件的疲劳损坏现象，并且可确定沥青路面结构中疲劳材料参数的室内试验方法。
%The fully coupled stress-damage method was used,whose threshold value was the fracture toughness. Parameters of the damage evolu-tion equation were back calculated based on test data. The life prediction precision of these parameters was verified by test data in a different stress ratio. The result shows that:by a constitutive model containing a damage evolution equation,the finite element method can emulate the fa-tigue damage phenomenon of specimen beams for asphalt mixture. Moreover,it provides a indoor test method to ascertain fatigue material parame-ters in the asphalt pavement structure.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2014(000)025【总页数】4页(P146-148,149)【关键词】沥青混合料;疲劳试验;损伤力学;参数反演【作者】王波;韩丁【作者单位】安徽省高速公路控股集团有限公司，安徽合肥 230088;合肥工业大学，安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】U416.20 引言沥青混合料的疲劳性能多采用小梁疲劳试验进行研究，损伤力学是进行量化研究的有效理论手段。
沥青混合料弯曲疲劳损伤强度的多尺度研究
沥青混合料弯曲疲劳损伤强度的多尺度研究李友云;王斌;高英力;吕琰【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2024(43)3【摘要】目的为了验证多尺度数值试验模拟方法在预测沥青混合料半圆弯曲试验疲劳损伤过程中弯拉强度参数变化规律的有效性问题。
方法基于多尺度算法思想和半圆弯曲试验,通过对沥青混合料试件进行细观结构分析,得到内部集料颗粒的几何特征分布规律;在此基础上,对沥青混合料划分5个微观区域尺度,并构建相应尺度下半圆弯曲试件的有限元(FEM)数值模型,结合多尺度迭代运算来预测各级沥青混合料计算在0%Nf,20%Nf,50%Nf,65%Nf,80%Nf(Nf为疲劳寿命)不同半圆弯拉疲劳损伤程度下的弯拉强度。
将室内半圆弯曲试验获得不同粒径的沥青混合料的弯拉强度参数作为宏观验证试验,与通过多尺度算法数值模拟试验所得的弯拉强度进行对比分析研究。
结果结果表明:在沥青混合料的疲劳损伤过程中,前期材料的抗弯拉强度衰减速率较为缓慢,当在中后期时,抗弯拉强度进入了急剧衰减阶段,多尺度数值模拟试验与室内试验得到的衰减规律相吻合,且弯拉强度相对误差的绝对值控制在8%以内。
结论多尺度数值模拟用于预测疲劳过程中沥青混合料的抗弯拉强度参数是有效的,该算法可以为类似的实际工程提供一定的参考意义。
【总页数】11页(P181-191)【作者】李友云;王斌;高英力;吕琰【作者单位】长沙理工大学交通运输工程学院;江苏中设集团股份有限公司【正文语种】中文【中图分类】U414【相关文献】1.沥青混合料疲劳损伤过程的劈裂剩余强度研究2.养生期乳化沥青冷再生混合料强度及疲劳损伤特性3.用控制应力弯曲疲劳试验方法评价沥青混合料抗疲劳性能4.AC-13C沥青混合料疲劳损伤过程强度变化规律研究5.沥青混合料劈裂疲劳损伤力学特性多尺度研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
多尺度模拟方法在材料位移损伤效应研究中的应用
贺朝会 等：多尺度模拟方法在材料位移损伤效应研究中的应用
第２期
图２ 多尺度数值模拟方法示意图 犉犻犵．２ 犕狌犾狋犻狊犮犪犾犲狊犽犲狋犮犺犿犪狆狅犳狀狌犿犲狉犻犮犪犾狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀犿犲狋犺狅犱狊
１ 第一性原理［３９］
第一 性 原 理 方 法 （ｆｉｒｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｍｅｔｈｏｄ）也 被 称为从头算方法（ａｂｉｎｉｔｉｏｍｅｔｈｏｄｓ），是指基 于量 子 力 学 理 论 ，完 全 由 理 论 推 导 而 得 ，不 使 用 除 基 本 物 理 常数和原子量以外的实验数据以及经验或者半经验 参数的求解薛定谔方程的计算方法。基本思想是： 将多原子构成的体系理解为电子和原子核组成的多 粒子系统，根据原 子 核 和 电 子 互 相 作 用 的 原 理 及 其 基本运动规律，运 用 量 子 力 学 基 本 原 理 最 大 限 度 地 对 问 题 进 行 “非 经 验 性 ”处 理 。
量子力学描述狀 粒 子 体 系 的 波 函 数 包 含 ３狀 个 坐标，相应的薛定谔方程是含３狀 个变量的偏微分方 程 ，而 针 对 绝 大 部 分 问 题 涉 及 的 体 系 ，这 就 会 是 一 个 非常复杂甚至无法解决的问题。
密 度 泛 函 理 论 （ｄｅｎｓｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｏｒｙ， ＤＦＴ）采用电子密 度 分 布 狀（狉）作 为 基 本 变 量，而 非 波函数，研究原子、分 子、固 体 等 多 电 子 体 系 的 基 态 性质。ＤＦＴ 建 立 在 Ｈｏｈｅｎｂｅｒｇ 和 Ｋｏｈｎ 提 出 的 非 均匀电子气理论基 础 之 上，可 以 归 结 为 两 个 基 本 定 理。定理１：不 计 自 旋 的 全 同 费 米 子 系 统 非 简 并 基 态的所有性质都是粒子密度函数的唯一泛函。该定 理保证了粒子密度作为体系基本物理量的合法性， 同时也是 ＤＦＴ 名称的由来。定理２：ＤＦＴ 的变分法 中 ，对 于 一 个 给 定 的 外 势 ，真 实 电 子 密 度 使 能 量 泛 函 取得最小值。由于 ＤＦＴ 中融入了统计的思想，不必 考 虑 每 个 电 子 的 行 为 ，只 需 计 算 总 的 电 子 密 度 ，计 算 量大为减少，从而 大 大 简 化 了 应 用 量 子 力 学 计 算 材 料性质所 涉 及 的 复 杂 数 学 问 题。ＤＦＴ 把 多 电 子 问 题 成 功 转 化 为 单 电 子 问 题 ，近 似 求 解 薛 定 谔 方 程 ，可 用 于 描 述 原 子 、分 子 等 微 观 粒 子 体 系 的 量 子 行 为 ，分 析其电子结构，计 算 总 能 量。 已 广 泛 应 用 在 材 料 设
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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 。
虑 。在裂纹尖端周围出现的损伤区是离散非线性粘
弹性材料 。用细观力学粘弹性粘结区模型来描述结
合料之间和粘合料与集料之间界面的裂缝形成和扩
展 。粘结区模型的优点是 :它可以从已有裂缝和普
通表面来分析裂缝的发展过程 , 对二维问题的粘结
区模型可以用式 (1) 表示[9210 ]
∫ Ti ( t)
=
[1
-
收稿日期 :2009206210 基金项目 :国家自然科学基金项目 (50278037) 作者简介 :刘福明 (19682) ,男 ,江西莲花人 ,南昌工程学院教授 ,华南理工大学工学博士研究生 , E2mail :yancyliuf uming @163. co m 。
2
中 国 公 路 学 报 2010 年
0 引 言
沥青混合料是一种由任意分布的集料颗粒和非 弹性胶浆组成的复合材料 ,这种胶浆的性能会受环 境荷载 、热荷载和力荷载的影响而衰减 。沥青混合 料总体上表现出极为复杂的力学行为及许多不同的 破坏模式 ,而其宏观行为所表现的不规则性 、不确定
性 、模糊性 、非线性等特征 ,正是其微观结构复杂性 的反映 ,其内部结构特征与其力学行为和耐久性有 着密切的联系 。可以认为 , 沥青混合料变形与强度 的宏观规律和其微 (细) 观结构是直接相关的 , 通过 微观的试验研究 , 可以更清楚地认识到宏观机理 , 从而可以更准确地把握宏观规律 , 微观与宏观有机 结合可以使沥青混合料的研究走上新的台阶[122] 。
Abstract : In order to analyze t he mechanical p roperties of asp halt mixt ure co mp rehensively and find o ut t he mechanical respo nse of asp halt mixt ure , a met hodology of finite element multiscale model was p ropo sed. By analyzing t he characteristics and p heno meno n of asp halt mixt ure occurred in t he small scales , and co mbining meso2mechanics met hod wit h macro2mechanics met hod , t he mechanical p ropert y of asp halt mixt ure , including t he damage evolutio n p rocess was simulated. Thus , it can implement coincident deformatio n amo ng different scale model s. Result s show t hat t he model can qualitatively simulate t he mechanical p ropert y of asp halt mixt ure. It also can be used to analyze different co mpo nent s and evaluate p ropert y of asp halt mixt ure. Key words : road engineering ; asp halt mixt ure ; multiscale simulatio n ; damage evolutio n ; finite element ; mechanical p ropert y
刘福明1 ,2 ,王端宜1
(1. 华南理工大学 道路工程研究所 ,广东 广州 510641 ; 2. 南昌工程学院 土木建筑学院 ,江西 南昌 330099)
摘要 :为了全面分析沥青混合料的力学性能 ,了解沥青混合料的力学响应 ,引入了有限元多尺度计 算方法 ,通过分析沥青混合料在较小尺度范围内出现的特征和现象 ,将细观和宏观的方法结合起 来 ,模拟沥青混合料在荷载作用下的力学性能 (包括损伤演化过程) ,从而有效实现不同尺度模型间 的变形协调 。结果表明 :该模型能定性地模拟沥青混合料的力学性能 ,分析不同组成成分的结合以 及通过计算评价沥清混合料的性能 。 关键词 :道路工程 ;沥青混合料 ;多尺度模拟 ;损伤演化 ;有限元 ;力学性能 中图分类号 :U414. 1 文献标志码 :A
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
目前有关沥青混合料力学性能的研究 ,大都是 建立在试验研究的基础上 ,这不仅需要花费大量的 人力 、物力 ,而且往往受限于试验条件 、环境条件及 材料本身的复杂性 ,使得试验成果相对离散 ,难以反 映实际沥青混合料的真实力学性能 。因此 ,从沥青 混凝土的细观结构入手 ,利用细观力学的研究方法 , 抓住沥青混凝土材料及其力学性质的非均匀性 ,结 合理论分析和试验成果 ,建立数值模型 ,对沥青混凝 土材料的力学性能和破坏过程进行研究 ,已成为各 国学者研究沥青混凝土材料力学性能的主要研究方 法之一[324 ] 。
式中 : E∞ 、Ej 为弹簧刚度 ;ηj 为阻尼常数 ; p 为阻尼
数 。阻尼 常 数 与 弹 簧 刚 度 的 比 率 一 般 是 指 松 弛
时间 。
用内部状态变量α( t) 描绘损伤演化特征 , 一般
可以通过破坏试验确定损伤演化规律代表粘结区损
伤材料的局部平均截面积 。Williams[11] 确立了一个
在多尺度模拟中 ,其宏观分析与通常一样 ,但是 每次需要有关材料本构行为的信息 ,明确解决微观 力学边界值问题 ,而不需要确定匀质化材料性能 。
一旦解决了微观力学边界值问题 ,它的结果 ,尤 其是应力 ,通过下式中的平均定理可使其均匀化而 回到宏观问题
∫ f = 1 f dV VV
式中 : f 为 f 的体积平均值 (等于宏观尺度下的 f 函 数) ; f 为局部微观下的函数 ;V 为 RV E 的体积 。
经典微 (细) 观力学的模式是多尺度的力学结 构 :宏观尺度 、细观尺度和微观尺度 。在宏观尺度 中 ,连续介质由许多物质点所组成 ,而与每一个物质 点相关的微观空间包含许多微观元素 ,其实际上是 一个微观连续介质 。如果材料在宏观尺度上是统计 均匀的 ,那么 ,为了研究材料的性能 ,可以只研究任 一典型的局部细观尺度即可 ,而与该局部细观尺度 相关联的微观空间称为代表性体积元 ( Rep resenta2 tive Volume Element ,RV E) ,它是微 (细) 观力学中 的一个基本概念 ,没有固定的长度尺寸[728] 。从宏观
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 。
Multiscale Simulation of Damage Evolution of Asphalt Mixtures
L IU Fu2ming1 ,2 , WAN G Duan2yi1
(1. Instit ute of Road Engineering , Sout h China U niversity of Technology , Guangzho u 510641 , Guangdo ng , China ; 2. School of Civil Engineering , Nanchang Instit ute of Technology , Nanchang 330099 , Jiangxi , China)
多尺度模拟是均质理论的一个分支 。均质理论 可以作为本构模型的一类 ,这种本构模型是在各组 成成分的几何特征和构造行为基础上来预测非均质 材料的宏观行为的 。宏观行为取决于微观力学边界 值问题的解答和通过匀质技术对力学影响域平均数 的计算 。值得注意的是 : 由于 RV E 能精确代表材 料宏观行为的最小体积 ,微 (细) 观力学边界值问题 一般是通过 RV E 来表述和解决的 。
3
好地评价这种机理对宏观整体性行为的影响和防止
材料服务期间的早期破损提供了可能 。另一个优点
是 :一旦确定了材料组成成分的单个材料性能 ,则材 料组成成分分布和每个体积单元及由此产生的合成
材料有效性就可以通过计算来确定 , 从而不必进行 大量的室内试验 。
在本构模型应用过程中 , 把沥青混合料的集料 和大部分胶浆分别当作线弹性和线粘弹性材料来考
沥青混合料一般由粗集料及沥青玛蹄脂组成 , 玛蹄脂是一个由沥青结合料 、空隙率 、细集料及矿粉 组成的结合体 。玛蹄脂的质量对整个沥青混合料的 损伤和破坏有主要影响 ,因为损伤起始于正如玛蹄 脂中微裂纹那样的微观损伤 ,因此 ,如果能较好地预 测影响玛蹄脂的损伤行为 ,并把它设计成抗损伤和 抗裂的 ,则混合料的性能就可以得以改善 。可以把 玛蹄脂材料模拟为一种主要由粘弹性沥青结合料 (或由沥青和矿粉组成的胶浆) 和弹性细集料组成的 特殊复合材料 。 1. 2 本构模型