砂碎石基因组多尺度试验和模拟

The morphological characteristics and mineral compositions of granular aggregates are vital to pavement performance. This project is meant to investigate the influence of mineral compositions and crystal structures on the morphological characteristics and mechanical properties of granular aggregates and to provide better understanding of the degradation of rocks under physical weathering, and to further evaluate frictional properties and erosion characteristics of granular aggregates. The following research should be conducted for this innovative investigation of this project: (1) establishing three-dimensional model from multiple scales based on the scanned results from TEM, SEM, etc., and further analyzing the influence of the mineral compositions and crystal structures on the morphological characteristics and mechanical properties of granular aggregates; (2) using crushing test and micro-deval test to simulate the physical weathering of rocks, validating the simulation results from the multiscale model by the aforementioned test results and presenting the degradation of mechanical properties for rocks and granular aggregates; (3) analyzing the evolution process of mechanical properties such as frictional and erosional properties for granular aggregates under various influence factors and proposing multiple indictors to evaluate mechanical properties of granular aggregates.

骨料是路面结构关键材料，其形状特征和力学性能与其矿物构成和晶体结构息息相关。本项目针对现有矿物成分和晶体结构对骨料形状特征和力学性能的影响机理认识不清、缺乏对岩石在物理风化作用下破坏演化过程的深入理解及骨料摩擦和磨损等力学性能的评价指标单一的问题，提出以下研究方法：（1）根据电子显微镜扫描对骨料进行三维重构，建立多尺度模型，分析矿物成分和晶体结构对骨料的形状特征和力学性能的影响机理，回归相关物理力学参数的对应关系；（2）采用破碎试验和Micro-Deval试验模拟岩石在自然的物理风化作用下转变为骨料和砂土的演化过程并进行多尺度模拟分析，根据试验结果验证数值模拟的可靠性和提出岩石和骨料力学性能的衰退模式；（3）从多尺度分析骨料的摩擦和磨损等力学性能在多影响因素下的演化规律，提出评价骨料的力学性能的多项指标，建立相应的可靠度理论，从而为沥青混凝土和水泥混凝土强度设计理论提供理论基础和方法支撑。

集料的矿物成分、颗粒形状和表面微观形貌是影响集料抗磨性能的主要因素（或基因），对集料的服役性能产生重要影响。研究选用石英岩、片麻岩、红砂岩、玄武岩、石灰岩、辉绿岩6种不同集料，采用TEM试验、SEM试验、XRD试验、X-CT扫描试验、狄法尔磨耗试验、磨光试验、压碎值试验等多尺度试验手段，结合分子动力学和有限元模拟方法，从宏观和微观两个尺度开展集料抗磨性能的分析和模拟研究，为岩土工程和采矿工程的设计、施工和维护提供理论分析和技术基础。.在宏观尺度上，采用改进的狄法尔磨耗试验模拟集料物理分化成砂土的过程，发现集料的磨耗值增长规律符合几何级数增长；采用IPP软件对碎石、砂粒进行图像分析，获得碎石二维颗粒信息，揭示了集料逐渐破碎成砂的过程。采用压碎值试验，测定了不同集料的抗压碎能力；采用加速磨光试验测定了不同集料抵抗轮胎磨光作用的能力,并进行集料不同性能指标的相关性分析，提出了集料抗磨光-磨耗性能的综合评价方法。开展了不同集料砂样和粉样的直剪试验，获得内摩擦角和粘聚力参数特性。借助X-CT扫描试验结果，进行集料三维模型重构和特征分析，提出三维模型评价指标体系,为集料的优化选择提供依据。采用ABAQUS软件模拟了集料的狄法尔磨耗试验过程，采用ANSYS软件开展了轮胎路面接触模型分析，模拟了沥青路面粗集料的疲劳寿命，并开展了沥青路面宏观构造三维评价方法分析，为集料抗磨性能评价提供了新的思路。.在微观尺度上，结合SEM试验和分形理论，获得了不同磨耗集料的表面微观形貌特性；使用光学表面轮廓仪进行了集料微观构造形貌参数与抗滑性能的相关性分析；利用能谱分析确定了岩样的化学元素成分及其相对含量，采用XRD试验进行集料的物相分析，分析不同矿物成分对集料抗磨性能的影响。通过灰色关联分析等理论方法，发现矿物成分的差异是造成岩石集料抗磨性能差异的主要影响因素。选用不同的氧化物构建单一集料模型，选用白云石、石英、滑石三种矿物成分构建了复杂石灰岩集料模型，采用分子动力学模拟的方法模拟了不同集料在Fe球作用下的微观磨耗性能，发现：不同氧化物的抗磨性能从高到底依次是SiO2 > MgO > Na2O > CaO，SiO2在高温下更容易被磨耗。研究模拟了砂颗粒材料的自然静止和滚动过程，获得了砂材料的天然休止角和摩擦系数，分析了砂在不同压力作用下的力学性能变化，揭示了微观尺度下砂材料的直剪破坏机理。