基于内聚力模型的沥青混合料劈裂试验模拟
快速测定沥青混合料劈裂强度试验研究
不同温度下快速检测沥青混合料劈裂强度试验研究引言劈裂试验是对规定尺寸的圆柱体试件，通过一定宽度的圆弧形压条施加荷载，将试件劈裂直至破坏的试验。
劈裂试验适用于测定沥青混合料在规定温度和加载速率时劈裂破坏或处于弹性阶段时的力学性质，亦可供评价沥青混合料低温抗裂性能时使用。
故对于在建道路，探讨如何在现场试验室快速检测沥青混合料劈裂强度对控制沥青混合料的质量有着重要意义。
为了找到在不同的温度条件下测得的劈裂强度与标准条件下测得的劈裂强之间的换算关系，提高现场试验室检测沥青混合料劈裂强度的效率，本次基于室内试验，模拟现场在不同室内温度条件下直接测试沥青混合料劈裂强度并与试验规程中要求的试验条件下测定的劈裂强度进行对比分析。
1 试验原材料本次试验集料采用武山县鸳鸯镇邱家峡石料厂的石料（矿粉为甘肃高崖金城水泥有限公司生产的矿粉），沥青采用韩国SK90#A级道路石油沥青，混合料类型采用AC-13型沥青混合料。
本次所用原材料各项指标均符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中相应技术要求。
2 试验过程本次试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011中T0702方法双面各击实75次制作马歇尔试件，每组试验5个试件，并按规范测定试件的高度、密度、空隙率等指标。
然后将其中一组试件放置于15±0.5℃的水浴中浸泡不少于1.5h，测其劈裂强度，将其余试件分为五组分别放置于12℃、15℃、18℃、21℃、24℃、27℃、30℃、33℃、36℃的空气中养生不少于6 h，然后测其劈裂强度。
3 数据分析3.1 沥青混合料劈裂强度值与温度关系将不同环境条件下测得的劈裂强度结果汇总于下表1，并根据试验结果绘制沥青混合料劈裂强度值与环境温度的曲线，见图1：(MPa)图1沥青混合料劈裂强度与温度曲线图结合表1和图1可以看出，水浴养生15℃劈裂强度值和空气中养生15℃劈裂强度值基本一致，说明在相同的温度下养生环境对沥青混合料劈裂强度值影响不大，可以忽略不计。
沥青混合料劈裂试验报告(模板)
说 明
1、表内粗线框内栏目的内容由委托检测结果仅对来样负责。
3、如对检测结果有异议，请于报告日期起15日内提出，逾期视为认可检测结果。
批准人： 审核人： 主要试验人：
沥青混合料劈裂试验报告共页第页
有见证送检报告编号：
见证人单位
见证人
试 验 单 位
XXXXXXXX
有限公司
（印章复印无效）
委托单位
委托日期
工程名称
报告日期
工程部位
试验规程
混合料类型
制备方法
加载速率
mm/min
试验温度（℃）
试验项目
标准技术要求
试验结果
结论
破坏拉伸应变εT
-------
劈裂抗拉强度RT(MPa)
沥青混凝土小梁断裂试验有限元模拟
沥青混凝土小梁断裂试验有限元模拟刘元栋【摘要】文章使用内聚力模型模拟了沥青混凝土的小梁断裂试验,分析了试验过程中梁中间截面上的法向拉应力的分布、损伤规律和裂缝的形成与扩展情况.研究结果表明:在小梁断裂试验中,梁中间截面上法向拉应力在梁底端最大,向梁顶端逐渐减小;梁中间截面上损伤区域的损伤值随着荷载的增加而增加,并且损伤深度也逐渐增加;梁中间截面底端的损伤值达到1时,梁底端就会产生裂缝,而后裂缝向梁顶端扩展,扩展速率逐渐减小.【期刊名称】《现代交通技术》【年(卷),期】2015(012)002【总页数】2页(P5-6)【关键词】沥青混凝土;内聚力模型;断裂试验;损伤;裂缝【作者】刘元栋【作者单位】苏交科集团股份有限公司,江苏南京211112【正文语种】中文【中图分类】U414裂缝是沥青路面普遍存在的问题，裂缝的存在影响了沥青路面的行驶性能，并加剧了沥青路面的破坏。
研究沥青混凝土的断裂行为有助于深入理解沥青混凝土的断裂特性和防治沥青路面的裂缝。
沥青混凝土是由集料、沥青和空隙组成的三相复合材料，使用线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学方法无法准确模拟沥青混凝土的断裂行为[1-2]。
基于此，本文引入内聚力模型研究沥青混凝土的断裂行为。
1 内聚力模型内聚力模型最早是由Dugdale[3]和Barenblatt[4]提出，可以用于研究混凝土材料的断裂行为。
内聚力模型将材料的物理断裂局限在一个很小的区域内，这个区域用2个假想的面来定义[5]。
内聚力区域的本构关系是通过裂缝面上的内聚力和2个裂缝面的张开位移来定义的。
假想的裂缝面是通过内聚力结合在一起的，内聚力又取决于2个面的张开位移。
内聚力模型有2个独立的模型参数，即断裂能Gc和开裂强度Tc。
断裂能是指裂缝面从位移为零直到完全分离所消耗的能量；开裂强度是指材料的力学强度[6]。
2 沥青混凝土小梁断裂试验模拟沥青混凝土小梁断裂试验如图1所示。
在试验过程中，在梁顶部中间位置施加集中的垂直荷载，仪器将自动记录顶部的集中荷载的大小和梁底部开口的张开位移。
基于内聚力模型的沥青路面三点弯曲试验数值模拟
î[(ｉ －１/ ２) －(ｊ －１) ] －(ｉ －１/ ２) －ｊ] (ｊ≠ｉꎬｊ<ｉ).
４８
[ Ｍ( Ｄ 球 ＝ ｄ ｉ ) ] ＝
ｆ( Ｄ 球 ＝ ｄ ｉ ) ꎻ
π ( ｄ ｉ ＋ ｄ ｉ ＋ １) ３
２ 内聚力模型的原理
集料占总集料的比例.
２.１ 内聚力模型的概念
置预切口以及左偏角 ３０°、右偏角 ３０°的不同方向预切口的沥青混合料三点弯曲试验的细观开裂
数值模拟ꎬ分析得出了预切口位置、方向对裂缝扩展过程中的路径、耗散能、荷载￣位移曲线等的
影响规律ꎬ从而对半刚性基层沥青路面结构开裂机理的研究提供辅助手段.
关键词:半刚性基层ꎻ预切口ꎻ三点弯曲ꎻ细观开裂
中图分类号:Ｕ４１６
同厚度的结构层ꎬ并假定每一个结构层的材料都是
为时有较大优势.
均质的.因为半刚性基层沥青路面是由粗集料、沥
本文通过随机骨料投放程序建立沥青路面细
青砂浆、水泥砂浆、空隙等组成ꎬ这些组成部分所形
观模型ꎬ并通过 Ｐｙｔｈｏｎ 语言编程批量插入 Ｃｏｈｅｓｉｖｅ
成的内在结构和拥有的力学性质对宏观的路用性
能有着很大影响
[１￣４]
. 所以这样的假定势必会导致
计算结果不精确ꎬ甚至是错误的.
陈俊
[５]
通过理论研究编写了二维数字试件生
成算法、粗集料不规则形状生成算法、随机投放算
法以及重叠判断算法后ꎬ郭江
[６]
在其基础上编写
了随机骨料投放程序ꎬ生成了不同粒径大小以及不
规则形状的粗集料ꎬ为创建沥青路面细观模型奠定
了基础.
Ａｂａｑｕｓ 有限元分析软件目前适用于分析材料
基于内聚力模型的沥青路面三点弯曲试验数值模拟????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????图3内聚力本构模型张东9在abaqus有限元分析软件中分别采用这2种内聚力本构模型进行了单边开口梁的断裂行为数值模拟?发现采用双线性内聚力本构模型得到的数值模拟结果比指数型内聚力本构模型得到的结果在精确度上有更大的优势?表明双线性内聚力本构模型更加适合模拟沥青路面的细观开裂行为
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]。
沥青混合料劈裂试验
沥青混合料劈裂试验1 目的与适用范围1.1本方法适用于测定沥青混合料在规定温度和加载速率时劈裂破坏或处于弹性阶段时的力学性质，亦可供沥青路面结构设计选择沥青混合料力学设计参数及评价沥青混合料低温抗裂性能时使用。
试验温度与加载速率可由当地气候条件根据试验目的或有关规定选用，但试验温度不得高于30℃，如无特殊规定，宜采用试验温度15℃±0.5℃，加载速率为50mm/min。
当用于评价沥青混合料低温抗裂性能时，宜采用试验温度—10℃±0.5℃及加载速率1mm/min。
1.2本方法测定时采用沥青混合料的泊松比υ值，但计算的υ必须在0.2—0.5范围内。
劈裂试验使用的泊松比υ表一1.3 本方法采用的圆柱体试件应符合下列要求1.3.1 最大粒径不超过26.5mm（圆孔筛30mm）时，用马歇尔标准击实法成型的直径为φ101.6mm±0.25mm试件，高为63.5mm±1.3mm。
1.3.2 从轮碾机成型的板块试件或从道路现场钻取直径φ100mm±2mm或φ150mm±2.5mm,高为40mm±5mm的圆柱体试件。
2仪具与材料2.1 试验机：能保持规定的加载速率及试验温度的材料试验机，当采用50mm/min的加载速率时，也可采用具有相当传感器的自动马歇尔试验仪代替。
但均必须配置有荷载及试件变形的测定记录装置。
荷载由传感器测定，应满足最大测定荷载不超过其量程的80%且不小于其量程的20%的要求，一般宜采用40RN或60RN传感器，测定精密度为10N。
2.2 位移传感器厅采用LVDT或电测百分表：水平变形宜用非接触式位移传感器测定，其量程应大于预计最大变形的1.2倍，通常不小于5mm，测定垂直变形精密度不低于0.01mm，测定水平变形的精密度不低于0.005mm。
2.3 数据采集系统或X-Y记录仪：能自动采集传感器及位移计的电测信号，在数据采集系统中储存或在Z、Y记录仪上绘制荷载与跨中挠度曲线。
沥青混合料劈裂过程数值
量。理论上，断裂能等于 T-δ 曲线下方的面积。双线性 CZM 假定：在内
聚力达到开列强度之前（δ≤δ0），内聚力区域的材料是线弹性的；在 内 聚 力 达 到 开 裂 强 度 之 后 （δ0≤δ≤δf），材 料 表 现 为 线 性 软 化 行 为 ，是 材 料的软化阶段，也称为损伤阶段。
双线性内聚力模型的 T-δ 曲 线 如 图 2 所 示 ， 其 中 T 为 内 聚 力 ；δ
为裂纹面的相对位移；Tc 为材料的力学强度， 是内聚力所能到达的最 大值， 称为开裂强度；δ0 表为内聚力 达 到 Tc 时 裂 纹 面 的 位 移 ；δf 为 裂 纹 面 的 最 大 位 移 ，称 为 失 效 位 移 ；Gc 为 断 裂 能 ，是 指 裂 纹 面 从 位 移 为 零直到完全分离所消耗的能量， 也即材料从完好到断裂所吸收的能
沥青混合料损伤断裂属强不连续问题，常规有限元法要求在单元 内部形函数连续且材料性能不能突变，在处理像裂纹这样的强间断问 题时，必须将裂纹面设置为单元的边，裂尖设置为单元的结点，在裂尖 附近的高应力梯度区需要高密度网格，同时在模拟裂纹生长扩展时还 需要对网格进行重新剖分，效率极低甚至无能为力。 在处理多裂纹复 杂问题时，其工作量之大是难以接受的。 为了解决上述类型问题，扩展 有 限 元 法[1-2]（XFEM）应 运 而 生 ，是 近 年 来 发 展 起 来 的 一 种 新 的 数 值 方 法，它继承了常规有限元法的所有优点，最根本的区别在于它所使用 的网格与结构内部的几何或物理界面无关，从而克服了在诸如裂纹尖 端等高应力梯度和变形集中区进行高密度网格剖分所带来的困难，当 模拟裂纹扩展时也无需对网格进行重新剖分，解决了一些用传统有限 元法不易或无法求解的工程技术问题。 目前，国内扩展有限元法研究 发表工作还不多，具体应用到沥青混合料和沥青路面结构的研究工作 还未见报道，因此本文开展这一方面的一些研究探索工作。
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.
沥青混合料冻融劈裂试验
沥青混合料冻融劈裂试验1目的与适用范围1.1本方法适用于在规定条件下对沥青混合料进行冻融循环，测定混合料试件在受到水损害前后劈裂破坏的强度比，以沥青混合料水稳定性。
非经注明，试验温度为25℃，加载速率为50mm/min。
1.2本方法采用马歇尔击实法成型的圆柱体试件，击实次数为双面各50次，集料公称最大粒径不得大于26.5mm。
2仪具与材料2.1试验机：能保持规定加载速率的材料试验机，也可采用马歇尔试验仪。
试验机负荷应满足最大测定荷载不超过其量程的80%且不小于其量程的20%的要求，宜采用40kN或60kN传感器，读数精密度为10N。
2.2恒温冰箱：能保持温度为—18℃，当缺乏专用的恒温冰箱时，可采用家用电冰箱的冷冻室代替，控温准确度为2℃。
2.3恒温水槽：用于试件保温，温度范围能满足试验要求，控温准确度为0.5℃。
2.4压条：上下各一根，试件直径100mm时，压条宽度为12.7mm，内侧曲率半径50.8mm，压条两端均应磨圆。
2.5劈裂试验夹具：下压条固定在夹具上，压条可上下自由活动。
2.6其它：塑料袋、卡尺、天平、记录纸、胶皮手套等。
3方法与步骤3.1按本规程T0702方法制作圆柱体试件。
用马歇尔击实仪双面击实各50次，试件数目不少于8个。
3.2按本规程的规定方法测定试件的直径及高度，准确至0.1mm。
试件尺寸应符合直径101.6mm±0.25mm，高63.5mm±1.3mm的要求。
在试件两侧通过圆心画上对称的十字标记。
3.3按本规程规定的方法测定试件的密度、空隙率等各项物理指标。
3.4将试件随机分成两组，每组不少于4个，将第一组试件置于平台上，在室温下保存备用。
3.5将第二组试件按本规程T0717标准的饱水试验方法真空饱水，在98.3kPa—98.7kPa（730mmHg—740mmHg）真空条件下保持15min，然后打开阀门，恢复常压，试件在水中放置0.5h。
3.6取出试件放入塑料袋中，加入约10mL的水，扎紧袋口，将试件放入恒温冰箱（或家用冰箱的冷冻室），冷冻温度为—18℃±2℃，保持16h±1h.3.7将试件取出后，立即放入保温为60℃±0.5℃的恒温水槽中，撤去塑料袋，保温24h。
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。
PAN纤维增强沥青混合料断裂性能的数值模拟
究纤维在断裂破坏过程中的作用和纤维参数对基
体劈裂强 度 的 影 响， 为 实 际 中 纤 维 的 选 用 提 供
参考。
（ ａ） 线性模型
１ 扩展有限元法
（ ｂ） 指数模型
图 １ 损伤演化模型
Ｆｉｇ １ Ｄａｍａｇｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ
ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ； ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ， ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ
ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘ
刚体。
模拟时纤维选用 ＰＡＮ 纤维， 直径 ２０ μｍ， 长
ＸＦＥＭ 属性， 在 Ｐｒｏｐｅｒｔｙ 模块中定义材料的损伤起
度分别为 ６ ｍｍ、 ９ ｍｍ、 １２ ｍｍ， 纤维体积比掺量
ＡＢＡＱＵＳ 中包含多种损伤起始准则， 但只有
计算， 基体内的纤维根数可以达到几十万到几百
始准则和损伤演化规律。
最大主应力准则可以实现裂缝的自由扩展， 扩展
第 ３６ 卷 第 ２ 期
２０２２ 年 ４ 月
粉煤灰综合利用
ＦＬＹ ＡＳＨ ＣＯＭＰＲＥＨＥＮＳＩＶＥ ＵＴＩＬＩＺＡＴＩＯＮ
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．２
Ａｐｒ
２０２２
材料科学
ＰＡＮ 纤维增强沥青混合料断裂性能的数值模拟 ∗
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＰＡＮ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ａｓｐｈａｌｔ Ｍｉｘｔｕｒｅ
ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＰＡＮ ｆｉｂｅｒ ａｓｐｈａｌｔ ｍｉｘｔｕｒｅ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ
基于内聚力模型的再生沥青混合料低温断裂性能研究
第 55 卷第 2 期2024 年 2 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.55 No.2Feb. 2024基于内聚力模型的再生沥青混合料低温断裂性能研究吴昊，宋卫民，邓子成(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)摘要：内聚力模型(CZM)在沥青混凝土开裂研究中得到了广泛应用，但采用内聚力模型对再生沥青混凝土断裂的研究还很少。
本文采用随机算法和坐标控制法建立包含旧集料和新集料的再生沥青混合料半圆弯拉模型，将模型分为集料同分布模型和集料随机分布模型两类。
研究−10 ℃时不同RAP 掺量(0、25%、50%、75%、100%，质量分数)对再生沥青混合料SCB 试件应力强度因子K IC 、断裂能G F 和抗裂指数I CR 的影响。
研究结果表明：无RAP 掺入的SCB 试件具有较好的断裂性能；随着RAP 掺量增大，应力强度因子K IC 、断裂能G F 和抗裂指数I CR 均减小，表明RAP 的掺入会削弱沥青混合料的低温断裂性能；采用有限元模型得到的断裂参数与室内试验结果一致；相比于集料同分布模型，集料随机分布模型各评价指标的变异性系数整体更大，表明集料分布状态对开裂结果有一定影响；当计算样本足够多时，这两类模型获得的抗裂参数变化规律一致，可有效评价再生沥青混合料断裂性能。
关键词：再生沥青混合料；应力强度因子；断裂能；抗裂指数；内聚力模型中图分类号：U414 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2024）02-0473-12Research of low-temperature fracture performance of reclaimedasphalt mixture based on cohesive zone modelingWU Hao, SONG Weimin, DENG Zicheng(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)Abstract: Cohesive zone model (CZM) has been widely adopted in the cracking studies of hot mix asphalt, but there are few studies focused on the cracking of reclaimed asphalt mixture based on CZM. In this paper, the stochastic algorithm and the coordinate control method were used to establish the semicircular bending model of the reclaimed asphalt mixture including the RAP aggregate and the virgin aggregate, and the model was divided into two types, i.e., the identical distribution of aggregates and the random distribution of aggregates. The effect of RAP (0, 25%, 50%, 75%, 100%, mass fraction) was investigated on the fracture parameters at −10 ℃, including收稿日期： 2023 −05 −07； 修回日期： 2023 −07 −10基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(52008405)；湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ30845) (Project(52008405) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2021JJ30845) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province)通信作者：宋卫民，博士，副教授，从事路基路面材料性能研究；E-mail:**************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.02.003引用格式： 吴昊, 宋卫民, 邓子成. 基于内聚力模型的再生沥青混合料低温断裂性能研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(2): 473−484.Citation: WU Hao, SONG Weimin, DENG Zicheng. Research of low-temperature fracture performance of reclaimed asphalt mixture based on cohesive zone modeling[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(2): 473−484.第 55 卷中南大学学报(自然科学版)stress intensity factor (KIC ), fracture energy (GF) and cracking resistance index (ICR). The results show thatspecimens without the incorporation of RAP exhibit the superior fracture resistance in terms of KIC , GFand ICR.With the increase of RAP mass fraction, KIC , GFand ICRall decrease remarkably, indicating the low-temperaturefracture resistance is degraded. The fracture parameters obtained by using the finite element model are consistent with those of the laboratory tests. Compared with the identical distribution model of aggregates, the variability coefficient of each evaluation index of the random distribution model of aggregates is larger, indicating that the distribution state of aggregates shows a certain influence on the cracking results, and sufficient calculation time is the key to accurate calculation. When there are enough calculation samples, the changes of the fracture parameters of the two types of models are consistent, which can effectively evaluate the fracture performance of recycled asphalt mixture.Key words: reclaimed asphalt mixture; stress intensity factor; fracture energy; cracking resistance index; cohesive zone model沥青混凝土路面是我国路面结构的主要形式，具有施工方便、行车舒适等优点。
沥青混合料论文：基于扩展有限元法的沥青混合料开裂特性研究
沥青混合料论文：基于扩展有限元法的沥青混合料开裂特性研究【中文摘要】沥青混合料是一种准脆性材料,其断裂行为具有温度和加载速率依赖性。
材料开裂过程中的软化行为与集料的互锁、滑移有关,同时沥青胶浆表现出粘聚性和粘弹性性能。
为了研究沥青混合料断裂过程区(Fracture process zone, FPZ)的开裂软化和粘弹性影响,本文提出了一种改进的内聚力模型(Improved cohesive model)。
利用沥青混合料高温蠕变试验确定了沥青混合料松弛模量主曲线,获得了沥青混合料的粘弹特性参数。
介绍了断裂能的测定方法,并利用三点弯曲梁试验(Single-edge notched beam, SEB)试件对不同温度下的断裂能进行测定,最后对断裂能的变化进行分析。
基于扩展有限元法(Extend finite element method, XFEM)和改进的内聚力模型利用ABAQUS有限元软件对沥青混合料圆盘拉伸试验(Disk-shaped compact tension, DCT)进行模拟,重点分析了基体材料粘弹性(松弛模量)和断裂参数(断裂能)的影响,利用数值分析结果与Wagoner试验结果进行对比,发现改进的CZM本构能够很好的模拟裂纹扩展,同时也表明扩展有限元法在裂纹模拟过程中克服了常规有限元法的缺点,避免常规有限元法在分析裂纹开裂问题时的繁琐前处理,展现扩展有限元法的独特优势。
分别考虑基体材料的弹性和粘弹性,对SEB试验进行模拟,发现基体材料分别看作弹性、粘弹性得到的数值结果均与试验结果吻合较好,并且在-10℃,沥青混凝土的粘弹性影响非常小。
对混合模式的SEB试件进行模拟,预测了裂纹扩展路径,与实测结果吻合较好。
【英文摘要】Asphalt mixture is a quasi-brittle meterial that exhibits time and temperature despendent fracture behavior. Softening of the matirial can be associatted to interlocking and sliding between aggregate, while the asphalt mastic display cohesion and viscoelastic properties. To properly account for both progressive softening and vicoelastic effects occurring in a relatively large fracture process zone(FPZ), a improved cohesive zone modelis employed. The viscoelastic parameters of asphalt mixture are calculated by main curve of relaxed modulus, which could obtained by creep test. The methods of detemine of fracture energy were introduced, which were analyzed in different tempratures by single-edge notched beam (SEB). This paper applies extend finite element (XFEM) and cohesive zone model (CZM) to simulate the crack propagation of disk-shaped compact tension of asphalt mixture. Effecting of the bulk properties (e.g. relaxtion modulus) and fracture parameters (e.g. cohesive fracture engergy) had been analyzed. Numerical results and Wagoner testresults were compared to prove that the improved CZM were appropriateness to simulate crack progagation. It also showed that the extend finite element overcomede the shortcomings in crack siumulation, to avoid the tedious pretreatment in crack initiation using conventional finite element, to show the unique adavantages of the extend finite element method considered separately the elastic and viscoelastic of the bulk matirial, it was found that the numerical results were in good agreement with the experiment with the experimental, and at -10℃, the effect of the viscoelastic of asphalt mixture is very small. Simulating of the mixed-mode SEB predicted crack propagation path, which were agreed with experiment.【关键词】沥青混合料粘弹特性改进的内聚力模型扩展有限元法开裂特性【英文关键词】Asphalt mixture Viscoelasticity Improved cohesive zone model Extend finite element method Crack characteristic【目录】基于扩展有限元法的沥青混合料开裂特性研究摘要5-6ABSTRACT6第1章绪论9-16 1.1 研究背景9-10 1.2 国内外研究现状及分析10-14 1.2.1 线弹性断裂力学11-12 1.2.2 内聚力模型研究现状12-13 1.2.3 扩展有限元法研究进展13-14 1.3 主要研究内容和技术路线14-16第2章断裂力学基本原理与内聚力本构模型研究16-42 2.1 断裂力学基本理论16-24 2.1.1 线弹性断裂力学16-21 2.1.2 弹塑性断裂力学21-24 2.2 粘弹性力学基本理论24-31 2.2.1 粘弹性材料的基本特性24-26 2.2.2 粘弹性本构理论26-28 2.2.3 粘弹性本构关系的模型理论28-31 2.3 沥青混合料的断裂特征31-33 2.3.1 准脆性材料行为31-32 2.3.2 断裂行为中的粘弹性32-33 2.4 内聚力本构模型研究33-41 2.4.1 内聚力本构模型的一般性质33-34 2.4.2 内聚力模型有限元基本理论34-35 2.4.3 内聚力模型本构关系35-41 2.5 本章小结41-42第3章沥青混合料内聚力模型参数测定及分析42-58 3.1 试验设计42-45 3.2 沥青混合料抗拉强度的测定45-47 3.3 沥青混合料粘弹性参数的测定47-51 3.4 断裂能的测定51-56 3.5 本章小结56-58第4章扩展有限元法对沥青混合料DCT裂纹开裂数值模拟58-78 4.1 扩展有限元法基本原理58-67 4.1.1 单位分解法58-59 4.1.2 水平集法59 4.1.3 扩展有限元法59-67 4.2 沥青混合料DCT试件开裂扩展有限元数值模拟67-76 4.2.1 DCT几何尺寸及模型参数选择68-70 4.2.2 模型网格划分及扩展有限元单元有效尺寸70-72 4.2.3 有限元与试验结果对比分析72-74 4.2.4 参数敏感性分析74-76 4.3 本章小结76-78第5章沥青混合料带预切口的SEB试验研究78-91 5.1 试验发展78-79 5.2 带预切口的SEB试件数值模拟79-85 5.2.1 试件尺寸和边界条件选择79-80 5.2.2 材料参数选择80-81 5.2.3 数值计算结果81-85 5.3 混合模式的SEB数值模拟85-90 5.3.1 几何模型及材料参数选择87-88 5.3.2 数值分析结果88-90 5.4 本章小结90-91第6章结论与展望91-93 6.1 主要结论91-92 6.2 进一步的研究建议92-93参考文献93-97致谢97-98研究生履历98-99。
基于内聚力模型的半刚性基层沥青路面裂缝扩展研究
基于内聚力模型的半刚性基层沥青路面裂缝扩展研究基于内聚力模型的半刚性基层沥青路面裂缝扩展研究摘要：沥青路面裂缝是道路使用过程中不可避免的问题，对交通安全和道路使用寿命都有着重要的影响。
本研究基于内聚力模型，对半刚性基层沥青路面裂缝扩展进行研究。
通过室内试验和数值模拟，分析了影响裂缝扩展的因素，并提出了相应的预防和修补措施，为道路维护提供了理论依据。
1. 引言沥青路面作为主要的道路材料之一，具有良好的柔韧性和抗水性能。
然而，在使用过程中，由于交通荷载的作用、温度变化、材料老化等因素，裂缝问题成为沥青路面的常见病。
对于半刚性基层沥青路面而言，裂缝的扩展尤为严重，影响道路使用功能和安全性。
因此，研究裂缝扩展机理，并采取相应的预防和修补措施，对于提高道路的维护质量和延长使用寿命具有重要意义。
2. 实验材料与方法2.1 材料选择选取经过运营5年的半刚性基层沥青路面样品作为研究对象。
该样品的裂缝情况较为严重，在路面抽样后进行物理实验和室内试验。
2.2 物理实验将样品进行拉伸测试，测量其裂缝扩展起始应力、扩展过程中的裂缝宽度变化等参数，获取实验数据。
2.3 内聚力模型基于物理实验数据，建立半刚性基层沥青路面裂缝扩展的内聚力模型。
该模型考虑了路面材料的特性、温度的影响等因素，能够较为准确地模拟裂缝扩展的过程。
3. 结果与讨论通过实验和模型计算，发现以下几点结果：3.1 裂缝扩展与温度关系密切随着温度的升高，沥青路面的柔性变得更高，其内聚力减小，导致裂缝扩展的趋势增强。
因此，在高温季节，裂缝修补工作应加强，以防止裂缝的扩展。
3.2 裂缝扩展受水分影响在潮湿环境下，水分能够渗透到裂缝内部，使路面材料软化，降低其内聚力，从而加剧裂缝的扩展速度。
因此在湿气较大的地区，应加强路面的排水功能，防止水分进入裂缝内部。
3.3 表面处理对裂缝扩展有影响通过表面处理，如添加填缝料、喷涂沥青等方法，能够提高路面的耐热性和抗湿性，减缓裂缝的扩展速度。
【CN109580362A】一种评价沥青混合料劈裂疲劳性能的方法【专利】
5 .根据权利要求1所述的一种评价沥青混合料劈裂疲劳性能的方法，其特征在于，所述 步骤三的劈裂强度试验中选择的加载速率为5MPa/s、10MPa/s、20MPa/s、30MPa/s、40MPa/s、 50MPa/s、60MPa/s、70MPa/s。
步骤二 ：将步骤一准备好的圆 柱体试件放在温 度为15℃的 恒温箱中保温4-5h ，然后放 在多功能材料试验系统(MTS-Landmark)的劈裂疲劳试验支座上，并调整使劈裂疲劳试验的 压头与圆柱体试件初步接触开始试验，且试验过程均在恒温箱中完成；
步骤三：通过内置MPT编制运行程序设置施加荷载和采集参数，将圆柱体试件进行不同 加载速率下劈裂强度试验，且每个加载速率均进行五次有效的平行试验，取平均值即得不 同加载速率下的劈裂强度值；
步骤四 ：根据步骤三得到不同 加载速率的强度值 ，并进行劈裂疲劳试验 ，同时将劈裂疲 劳试验中某一加载速率的应力水平与劈裂强度试验中相同加载速率对应的强度值之比定 义为速度相关应力比 ；
步骤五：基于步骤四得到的速度相关应力比 ，建立不同加载速率条件下沥青混合料的 劈裂疲劳性能预测模型，并发现利用本发明的速度相关应力比思想使沥青混合料强度失效 和疲劳失效问题得到统一。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910076531 .1
(22)申请日 2019 .01 .26
(71)申请人 长沙理工大学 地址 410000 湖南省长沙市天心区赤岭路 45号
(72)发明人 吕松涛 夏诚东 樊喜雁 张超 刘超超 陈东 郑健龙
基于内聚力模型的水稳碎石基层微裂技术数值模拟
基于内聚力模型的水稳碎石基层微裂技术数值模拟魏连雨;梁筱;李娜;张静【摘要】为验证微裂技术能够有效地减小水泥稳定碎石早期收缩应力,对微裂后的水泥稳定碎石基层进行数值模拟.通过使用有限元软件并基于内聚力模型,对微裂后的水泥稳定碎石基层在外界环境变化时进行数值模拟分析,模拟了不同间距和不同深度裂缝布置下最大主应力的分布情况以及系统能量的变化规律,结果表明水泥稳定碎石基层的最大主应力和系统总能量随微裂缝间距的减小和深度的增加均呈减小趋势.并通过微裂技术在实际工程中的应用证明了微裂技术在减少水稳碎石基层收缩裂缝和减轻沥青路面反射裂缝中具有一定创新性和工程适用性.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)032【总页数】6页(P14-19)【关键词】道路工程;微裂技术;内聚力模型;水泥稳定碎石基层;收缩裂缝【作者】魏连雨;梁筱;李娜;张静【作者单位】河北工业大学土木与交通学院,天津300401;河北工业大学土木与交通学院,天津300401;河北工业大学土木与交通学院,天津300401;河北工业大学土木与交通学院,天津300401【正文语种】中文【中图分类】TB332由于外界环境的变化(温度和湿度)使半刚性基层在早期形成收缩裂缝[1]，这些收缩裂缝在荷载和温度作用下继续向下扩展致使整个基层断裂，从而降低路面的使用性能。
水泥稳定碎石基层微裂技术为减轻或避免半刚性基层收缩裂缝提供了一个新的研究思路[2,3]，即：在水泥稳定碎石基层摊铺、碾压后，进行较短时间(通常为1～3 d)的养护，利用振动压路机对基层实施振动碾压，通过形成细微网状裂缝来避免长或宽裂缝的产生。
由于基层微裂是在养护初期进行，微裂缝能够随水泥水化反应进一步愈合，水泥稳定碎石材料的强度随龄期不断增长，故不会影响路面的承载能力。
在中国这一技术虽得到初步应用，但其在理论层面的研究仍处于初步阶段，缺少相关的理论依据和技术标准。
本文运用ABAQUS有限元软件对微裂后的水稳碎石基层在外界环境变化时进行数值模拟分析，基于内聚力模型模拟在不同间距和不同深度裂缝布置下最大主应力和系统总能量分布情况，从而拟定出微裂缝间距和深度可适用范围，并通过室内干缩试验证明基层微裂技术可以有效减少应力集中现象，为实际道路施工提供一定的参考依据。
集料水平向分布状态对沥青混合料劈裂试验影响数值模拟
集料水平向分布状态对沥青混合料劈裂试验影响数值模拟我记得那时候，我和我的小伙伴们在实验室里，就像一群小迷糊闯进了科学迷宫。
我的导师，一个戴着眼镜，看起来特别严谨的人，把这个任务交给了我。
他拍拍我的肩膀说：“小[你的名字]啊，这个课题可是很有挑战性的，你要好好搞啊。
”我当时心里就想，这可咋整啊？我就从最基础的开始了解，啥是集料呢？这就好比是我们做蛋糕时候的那些坚果、果干啥的，在沥青混合料里那就是很重要的组成部分。
而这个水平向分布状态，就像是这些“坚果”在蛋糕里是怎么排列的一样。
至于劈裂试验，简单说就是想看看这个沥青混合料在受到一定力量的时候会不会像被劈开的西瓜一样，一分为二呢？这数值模拟就更玄乎了，就是在电脑上用一些软件去模拟这个过程，就不用真的一次次去做试验，浪费材料了。
我在研究的过程中，遇到了好多麻烦事儿。
比如说，我在观察集料水平向分布的时候，我就找来了我的好朋友小李帮忙。
小李是个特别细心的人，眼睛就像放大镜一样。
我们俩就趴在那些样本前面，看啊看啊。
我就说：“小李，你看这个集料的分布，咋感觉乱七八糟的呢？”小李推了推眼镜说：“你看仔细点，这里面好像还是有一些规律的，你看这一块，集料比较密集，像一群小伙伴在扎堆呢。
”我们俩就这么争论着，研究着。
然后我就开始在电脑上进行数值模拟了。
这软件可真不好伺候，我输入数据的时候，不是这个错了，就是那个不对。
我就对着电脑屏幕大喊：“你这破软件，怎么就不能听话点呢？”这时候旁边的师兄听到了，笑着走过来说：“你呀，得耐心点，这软件就像个调皮的小孩子，你得慢慢哄着它。
”师兄就坐下来，一点点教我怎么正确输入数据，怎么调整参数。
在做数值模拟的时候，我发现集料水平向分布状态不同，最后的劈裂试验结果差别可大了。
就好像我们排兵布阵一样，如果把集料想象成士兵，分布得好，那这个沥青混合料的“军队”就很坚固，不容易被“劈开”；要是分布得不好，就很容易被敌人（也就是劈裂的力量）打败。
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和其他 CZM 一样, 双线性 CZM 有 2个独立 的模型参数, 即断裂能 G c 和开裂强度 T c. 断裂能 是指裂缝面从位移为零直到完全分离所消耗的能 量, 亦即材料从完好到断裂所吸收的能量. 理论上, 断裂 能 等 于 t-D曲 线 下 方的 面 积, 对 于 双 线 性 CZM, 断裂能的表达式为
值标志着裂缝的开始; 内聚力减小为零标志着界面 的张开位 移 达 到最 大 值, 此 时, 材 料失 效, 裂缝 形成.
图 1 内聚 力模型示意图
2 双线性内聚力模型及其有限元方法
CZM 是由内聚力区域的本构关系定义的. 而 CZM 的本构关系是通过界面上的内聚力和 2个面 的相对位移来定义的, 可以使用内聚力-位移 ( t-D) 曲线来 描 述内 聚 力和 位 移之 间 的关 系. 指 数型 CZM 和双线性 CZM 被用于模拟沥青混合料的断 裂行为 [ 6-8, . 10-12] 然而, 已有的研究表明, 使用指数 型 CZM 会导致材料的人为屈服现象 [ 11-12] , 双线性 CZM 更适用于沥青混合料 . [ 10-12]
[ do :i 10. 3969 / .j issn. 1001 - 0505. 2010. 06. 028]
第 6期
张东, 等: 基于内聚力模型的沥青混合料劈裂试验模拟
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有限元模拟, 研究了劈裂试件中的应力分布; 文献 [ 2] 使用 RFPA 程序对 非均质沥青混合料劈裂试 验进行了数值模拟, 研究了劈裂试件中的应力分布 和均质度对试验的影响. 然而, 对于沥青混合料这 样的准脆性材料, 在裂缝形成过程中, 伴随着集料 嵌锁、微裂缝和 非弹性变形等 复杂过程 [ 3 ] . 因此, 准确模拟沥青混合料在破坏过程中的损伤断裂特 性是模拟劈裂试验过程的关键. 在研究以混凝土为 代表的准脆性材料时, 内聚力模型 ( CZM ) 提供了 较好的结果, 自 20世纪 70年代起, CZM 被大量应 用于混凝土研究中. CZM 是由 D ugda le[ 4] 和 B arenb latt[ 5] 首先提出的, 目前, CZM 已经用于研究各种 材料的断裂问题, 如金属、聚合物和陶瓷等材料. 文 献 [ 6]针对沥青混凝土提出了一个内置的内聚力 模型, 模拟 了间接 拉伸试 验中裂 缝的 扩展; 文献 [ 7] 使用内置的 CZM 研究了单边开口梁试件在荷 载作用下的 Ñ型裂缝和复合裂缝的扩展问题; 文献 [ 8] 使用 CZM 研究了沥青路面的低温缩裂问题; 文献 [ 9] 使用异性离散元内聚力模型模拟了沥青 混凝土的断裂行为. 本文拟使用双线性内聚力模型 模拟沥青混合料的劈裂试验, 研究劈裂试验过程中 试件的应力分布、损伤 规律和裂缝的 形成与扩展 问题.
Simulation of indirect tension test of asphalt m ixtures based on cohesive zone m odel
Z hang D ong H uang X iaom ing Z hao Y ong li
( Sch oo l o f T ran sportat ion, Southeast U n iversity, N an jin g 210096, C h ina)
度之前, 内聚力区域的材料是线弹性的. 在内聚力达
到开裂强度之后, ABAQU S引入变量 D 来表示材料 的破坏水平. 对于 Ñ型断裂, D 的表达式为 [ 13]
D
=
Df ( Dmax Dmax ( Df -
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东南大学学报 ( 自然科学版 )
第 40卷
G c = 12T c Df
( 1)
断裂能用单位面积上的能量来表示, 可Ñ型
断裂, 沥青混合料的开裂强度等于材料的抗拉强度.
本 文 中 的 双 线 性 CZM 通 过 有 限 元 软 件
ABAQU S中的 coh单元实现. 在内聚力达到开裂强
双线性 CZM 的 t-D曲线如图 2 所示. 其中, t 为内聚力; D为裂缝面的相对位移; T c 为材料的力 学强度, 是内聚力所能达到的最大值, 本文统一称 为开裂强度; D0 为内聚力达到 T c 时裂缝面的位移; Df 为裂缝面的最大位移, 称为失效位移; G c 为断裂 能. 双线性 CZM 假定: 在内聚力达 到开裂强度之 前 ( D[ D0 ), 内聚力区域的材料是线弹性的; 在内聚 力达到开裂强度之后 ( D> D0 ) , 材料表现为线性软 化行为. D0 < D< Df 时, 是材料的软化阶段, 也称为 损伤阶段.
文献 [ 1] 基于弹塑性模型对劈裂试验进行了
收稿日期: 2010-03-09. 作者简介: 张东 ( 1983) ) , 男, 博士生; 黄晓明 ( 联系人 ) , 男, 博士, 教授, 博士生导师, huan gxm@ seu. edu. cn. 基金项目: 交通部西部交通建设科技资助项目 ( 2007-318-950-66) . 引文格式: 张东, 黄晓明, 赵永利. 基于内聚力模型的沥青混合料劈裂试验 模拟 [ J] . 东南大 学学报: 自 然科学版, 2010, 40( 6) : 1276 1281.
第 40卷第 6期 2010年 11月
东南大学学报 (自然 科学版 )
JOU RNA L O F SO U THEA ST UN IV ER SITY ( N atu ral S cience E dit ion)
do i: 10. 3969 / .j issn. 1001- 0505. 2010. 06. 028
V o .l 40 N o. 6 No v. 2010
基于内聚力模型的沥青混合料劈裂试验模拟
张 东 黄晓明 赵永利
( 东南大学交通学院, 南京 210096)
摘要: 为了深入分析沥青混合料在荷载作用下的破损机理, 引入了内聚力模型. 使用双线性内聚 力模型模拟了沥青混合料劈裂试验过程, 比较并分析了数值模拟结果和试验结果, 研究了劈裂试 验过程中试件纵轴上的法向应力分布、损伤规律以及裂缝的形成和扩展情况, 描述了劈裂试验的 全过程. 结果表明: 双线性内聚力模型数值模拟结果和试验结果相当吻合, 因而可以用来模拟沥 青混合料的损伤断裂行为; 劈裂试件纵轴上两端为压应力, 中间为拉应力, 且试件两端产生了显 著的压应力集中; 试件纵轴上的损伤值和损失长度随着荷载的增加而增加; 纵轴中间的损伤值达 到 1时, 试件中就会产生一定长度的宏观裂缝, 而后裂缝向两端扩展, 但扩展速率逐渐减小. 关键词: 沥青混合料; 内聚力模型; 劈裂试验; 损伤规律; 裂缝 中图分类号: U 416. 2 文献标志码: A 文章编号: 1001- 0505( 2010) 06-1276-06
CZM 将物理断裂局限在内聚力区域内, 这个 区域是由 2个假想的面来定义的, 界面上作用有内 聚力. Ñ型断裂模式下的内聚力模型示意图如图 1 所示, tn 和 Dn 分别表示法向内聚力和法向位移. 裂 缝尖端的内聚力为零, 内聚力最大的点称为内聚力 区域尖端. 内聚力区域就是材料裂缝尖端和内聚力 区域尖端之间的区域, 在这个区域内将产生复杂的 断裂行为 ( 包括非线弹性断裂 ) . 假想的面是通过 内聚力结合在一起的, 而内聚力又取决于 2个面的 张开位移. 外荷载的增加将导致界面张开位移的增 加, 从而导致内聚力的变化, 内聚力先是增加, 然后 达到最大值, 最后减小直到为零. 内聚力达到最大
1 沥青混合料劈裂试验和内聚力模型
劈裂试验, 也称间接拉伸试验, 是通过圆弧形 加载压条, 按一定加载速率对规定尺寸的圆柱形试 件施加荷载, 并使用位移传感器或百分表测定试件 变形, 从而获得材料的强度和变形等参数的试验方 法. 本文使用直径 150 mm、厚度 50 mm 的圆柱形 劈裂试件, 压条宽度 19 mm. 试验温度 - 10 e . 试 验时, 记录荷载和传感器之间的水平位移和垂直位 移, 传感器之间的距离为 38. 1mm.
Abstract: T he cohesiv e zone m odel w as introduced to analyze the dam age m echanism of aspha lt m ix tures. T he pro cess o f ind irec t tension te st of aspha lt m ix turesw as sim u lated using a b ilinear cohesiv e zone m ode.l T he num erica l sim ulation re sult and the test results w ere com pared and ana ly zed. T he norm a l stress distribution, dam age law and the crack in itiation and propagation on the long itud-i nal ax is o f the test sam p le w as studied. T he w ho le process o f indirect tension test w as described. T he study ind icates that the num erical sim u lation resu lt and the test re sults agree very w e ll so tha t the b-i linear cohesive zone m odel is applicab le to sim ulate the f racture behav ior o f aspha lt m ix tures. Compressiv e stress lies on the tw o ends of the long itud inal ax is of the test sam p le, the tensile stress lies on the m iddle part and the tw o ends undergo sign if icant com pressive stre ss concentration. T he damage va lue in the dam ag ed zone on the long itud ina l ax is increasesw ith the load increase and the leng th of the dam aged zone a lso increase s. W hen the dam ag e va lue in the dam aged zone increases to one, a certa in leng th o f m acro-crack em erges in the test sam ple and then the crack ex tends to bo th ends w ith the g row th rate slow ing dow n gradua lly. K ey w ord s: asphalt m ix ture; cohesiv e zone m ode ;l ind irect tension tes;t dam ag e law; crack