路面材料微观结构中的多尺度颗粒运动行为研究

The nonuniformity of pavement materials is one of the important reasons for pavement early damage phenomenon. And this nonuniformity is coused by the multi-scale particles’ movement behavior in the particle system. Using CT imaging technology to get the three-dimensional structure of the specimen information. Using discrete element method (DEM) to achieve the numerical simulation of pavement materials. THe establishment of a multi-scale particle motion process analysis mode is based on mechanics of granular matter. Through depth analysis of the regular pattern and mechanism of multi-scale particles movement，the ways to improve the pavement material uniformity could be found.

路面材料的不均匀分布是引起路面早期损坏现象的重要原因之一，而路面材料分布状态则取决于多尺度颗粒在外荷作用下的运动行为。由多尺度颗粒构成的路面材料具有有别于固体又不同于液体的特殊性质，本项目拟基于颗粒物质理论深入研究路面材料中的多尺度颗粒运动行为，从路面材料角度探寻影响材料分布均匀性的内外部因素。研究拟采用CT成像技术获取试件三维结构信息实现实体试件的数字重构；采用基于颗粒物质理论的离散元方法实现路面材料的数值模拟，建立多尺度颗粒的运动过程分析模型，通过对多尺度颗粒的运动规律及机制的深入解析，从材料设计角度寻找改善路面材料均匀性的有效路径。

路面材料具有颗粒物质属性，其运动行为有别于固体或液体。外荷作用下路面材料中不同尺度颗粒发生运动，运动特征会存在差异，最终会引起路面材料内部结构分布均匀性发生变化。路面材料颗粒分布的均匀性越差，路面的早期损坏现象会越严重。本项目研究以颗粒物质理论为基础，借助离散元方法研究路面材料在外荷作用下多尺度颗粒的运动行为特点，挖掘路面材料自身对路面均匀性的影响因素。为使离散元分析模型与真实情况更为接近，首先研究了利用CT成像技术获取路面材料微观结构特点的方法，为关注路面材料微观结构方面的相关研究提供了新的手段。利用PFC3D软件建立了虚拟模型分析了混合料出仓卸落和振动压实两个场景下多尺度颗粒在路面材料颗粒体系中的运动行为特征：重力作用下尺度小的细集料通过路面材料的空隙结构发生渗透；振动作用下尺度小的细集料通过空隙结构发生渗透，同时颗粒运动存在对流运动趋势；这些运动行为造成混合料发生均匀性变异。以混合料出仓卸落场景开展试验，对比分析了不同条件对多尺度颗粒运动行为的影响：细集料流出率先大后小、粗集料先小后大的运动行为特征具有一致性；棱角性的变化引起颗粒间摩阻力变化，较粗集料棱角性的减弱会加剧路面材料均匀性变异的程度；级配差异引起的粒径分布空间结构的不同对路面材料均匀性变异程度有显著的影响；结合料增强了颗粒间的作用力，降低了集料下落的流动速率，但路面材料均匀性变异的程度仍主要受级配因素影响。综合考虑路用性能需求，沥青混合料设计时如对路面的功能性能（透水等）没有特殊的要求时，推荐选择理论设计曲线相近的级配，优先选择骨架密实结构，4.75mm-9.5mm粒径区间为关键控制区间。研究成果有助于提高路面材料的均匀性，延长路面的使用寿命。