基于嵌入式MD/FEM多尺度耦合的再生沥青砂浆细观开裂机理研究

The cracking resistance of Hot Mix Asphalt containing Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) is poor than virgin asphalt mixture and the cracking resistance of RAP mixture decreases with the increasing RAP content. The RAP mixture cracks generally in the asphalt mortar level. The present studies on the RAP mortar focused on the laboratory study and meso-structure simulation analysis. However, these studies cannot quantify the effect of the chemical composition and micro-composition of asphalt binder on the cracking resistance of RAP mixture. Thus, this project will research the cracking resistance of RAP mixture from asphalt mortar level. Firstly, the chemical composition, nanoindentation, micro structure and the degree of blending between virgin and RAP binder will be evaluated by conducting a series of laboratory tests. Secondly, the molecular dynamics (MD) will be used to construct the molecular model of RAP binder and then the degree of blending and the influences of degree of blending will be analyzed from MD simulation method. Thirdly, the meso-structure of the RAP mortar will be researched by micro-CT analysis and the 3D finite element model (FEM) will be constructed through Matlab and Abaqus. Fourthly, the coupling MD/FEM model of RAP mortar will be created by developing an efficient simulation algorithm for MD/FEM simulation. Finally, the effect and mechanism of chemical composition, nano- and micro-structure of RAP binder, the degree of blending of virgin and RAP binder on the crack propagation process, crack propagation rate and the critical fracture load of RAP mortar will be studied. This project provides theoretical multi-scale cracking mechanism basis of RAP mortar and it will help the application of RAP material in the construction of asphalt pavement.

热再生沥青混合料的抗裂性能随着旧料掺量增加而降低，且开裂一般发生在砂浆层次，目前针对再生沥青砂浆的研究偏重宏观试验和细观模拟，难以定量分析再生沥青砂浆各组分的化学成分、微观结构等对宏细观性能的影响。本项目以再生沥青砂浆的抗裂性能为研究对象，从再生沥青砂浆的化学组分、纳微观结构、新旧沥青融合测试及表征入手，通过纳微观试验、分子动力学模拟以及与有限元嵌入耦合的多尺度分析手段，研究新旧沥青的融合机制、验证方法和表征指标，建立纳观尺度的再生沥青砂浆分子模型和细观尺度的有限元模型，最终形成再生沥青砂浆多尺度MD/FEM耦合模型及模拟算法，通过数值模拟揭示再生沥青砂浆化学组分、纳微观结构、新旧沥青融合程度等对细观裂缝扩展、裂纹扩展速率以临界破坏荷载的影响机理。本项目研究将揭示再生沥青砂浆的多尺度开裂机理，明晰热再生沥青混合料的抗裂性能劣化机制，对促进沥青路面旧料的高效利用具有指导意义。

对RAP料进行再生利用是道路行业践行环境可持续发展理念的重要做法。但工程实践表明，再生沥青混合料的抗裂性能不如新沥青混合料，且旧料掺量越高，开裂现象越严重。沥青混合料的开裂基本发生在砂浆层面，并受到纳微观层面老化沥青化学结构、新旧沥青融合程度等因素的影响。因此，为指导再生沥青混合料抗裂性能的提升，本项目联合细观尺度FEM与纳观尺度MD方法，对再生沥青砂浆的多尺度抗裂机理进行了研究。.通过制备不同类型的再生沥青、再生沥青砂浆和再生沥青混合料，采用路用性能试验评价其高温性能、疲劳性能和低温抗裂性能，同时采用微观试验分析其微观化学特性，建立了再生沥青路用性能与微观化学特征之间的相关性，分析了旧沥青含量及性质对再生沥青砂浆路用性能的影响规律，揭示了再生沥青混合料抗裂性能的影响因素。利用SEM/EDS方法对再生混合料中新旧沥青的融合度进行了研究，建立了新旧沥青融合程度的评价方法，明确了RAP掺量等因素对融合度的影响规律，同时对新旧沥青的扩散行为进行MD模拟，分析了沥青老化和温度对新旧沥青自扩散和相互扩散行为的影响规律。.通过二维切片扫描图片和MATLAB图像处理技术建立了再生沥青混合料的细观数值模型，基于CZM有限元方法分析了不同旧料掺量、不同新旧沥青融合度的再生沥青混合料的抗裂性能，明确了再生沥青砂浆性质尤其是其内部新旧沥青融合程度对再生沥青混合料抗裂性能的影响规律。进一步下探到纳微观尺度建立再生沥青砂浆的分子模型，基于MD方法对再生沥青砂浆的拉伸开裂行为进行模拟，揭示了纳微观层面再生沥青砂浆的沥青化学结构、老化沥青性质、再生剂掺量、集料性状等因素对再生沥青混合料抗裂性能的影响，协同分析了再生沥青砂浆层面的多尺度开裂机理。.本项目深入研究了再生沥青砂浆及再生沥青混合料的开裂行为，揭示了再生沥青材料多尺度开裂机制及其影响因素，对提高我国RAP料利用率和利用品质、降低沥青路面维修成本、减少路源碳排放具有重要指导意义。