基于相场法/分子动力学模拟耦合界面的沥青低温断裂机理多尺度研究

The fracture performance of asphalt binder is one of the most important factors that affects the cracking of asphalt pavement. The current approach to solve the asphalt cracking problem is based on the classic fracture mechanics, which may face complex mathematical difficulties in numerical calculations including singularity or complex topological transformation. Also, it cannot reveal the fundamental mechanism of asphalt cracking at micro-scale. To overcome the limitation of the classic fracture mechanics, a new method is proposed in this project based on the multi-scale analysis. Firstly, the crack propagation is described based on the energy flow by using phase field method at macro-scale. At the same time, the deformation and strength characteristics of asphalt molecules under external loading are studied using Molecular Dynamics Simulation at micro-scale. Second, a multi-scale model of asphalt fracture at low temperature is set up by coupling the two methods at the crack tip. The crack propagation mechanism, as well as the free energy transferring and conversion law, are revealed based on the multiscale computation. The proposed research explains the influences of asphalt microstructure on the macroscopic crack propagation process, crack propagation rate and the critical fracture load. It also provides solid theoretical basis and new experimental methods for fundamental understanding of the asphalt material fracture.

沥青结合料的断裂是诱发沥青路面低温开裂的决定性因素，但其机理不够清晰，极易在计算中出现奇异性和复杂拓扑变换等数学困难的传统宏观沥青断裂力学，是制约道路工作者深入研究其本质机理的关键。本项目从多尺度分析出发，在宏观尺度采用相场法，将裂纹扩展转化为能量流的流动，研究沥青在宏观尺度低温条件下的裂缝发展路径、裂纹扩展速率和临界破坏荷载；在微观尺度采用分子动力学模拟，揭示沥青分子在外部荷载作用下的变形破坏规律及其强度特性；基于以上将两种方法在裂纹尖端耦合，建立沥青低温断裂的多尺度模型，阐明从微观尺度到宏观尺度，沥青内部裂纹扩展、相互作用的机理和自由能转移、转化的规律，揭示低温下沥青微观结构对宏观裂缝扩展、裂纹扩展速率以临界破坏荷载的影响规律。本研究揭示了沥青低温断裂本质，对寒区路面损伤评价与预测具有重要意义，对沥青断裂力学及材料学的发展有一定的推动作用。

本项目从多尺度分析出发，在沥青微观结构与性能分析层面，利用原子力显微镜（AFM）实验、相动力学理论和分子动力学（MD）模拟对沥青的微观结构和微观力学行为进行研究。在一定的热力学条件下，沥青样品表面在微尺度下会出现不同的相结构。通过相动力学理论和MD模拟的复合手段研究稳定参数和温度对沥青微观结构和微观力学行为的影响，深入分析饱和分对沥青微观性能的影响机理：相对于环烷芳烃，饱和分对沥青微观力学行为起更为重要的作用；饱和分和环烷芳烃之间界面的不连续性，导致了高应力区的产生，并进一步影响了沥青的微观性能。在宏观尺度将裂纹扩展转化为能量流的流动，建立断裂多尺度模型。在理论方法层面，将整个计算系统分为不接触区域和摩擦接触区域两部分，其中轮胎-沥青路面接触区域由DEM离散元或者分子动力学模拟加以计算，而另一部分不接触区域由有限元计算，采用特定耦合算法在界面上完成两者耦合。此外，基于小规模路面图片数据集，利用卷积自编码(CAE)方法进行数据增强，开展包括沥青路面裂缝在内的路面目标智能化识别方法研究。在传统图像几何变换数据增强的基础上，采用CAE重构图片方法对原始数据集进行两步骤扩增；利用卷积神经网络DenseNet，设置了不同数据扩增方法的对比实验；针对沥青路面裂缝图片背景较黑、裂缝特征不清晰、无监督聚类难度大等问题，采用了一种基于CAE预训练的深度聚类算法DCEC，对经数据增强的路面图片进行无标注的聚类识别。基于以上多种宏微观分析手段，初步实现了沥青断裂的多尺度机理研究。