沥青混合料细观典型结构拓扑学表征及动力学演化机理研究

The complexity of meso-structure and the uncertainty of failure evolution mechanism of asphalt mixtures are the key problems that restrict the optimization of material composition. At present, the commonly used meso-scale research methods can obtain meso-structure and evolution information, but lack of accurate mathematical characterization methods has become a bottleneck restricting the design of high-performance asphalt mixtures. With the help of topological theory and pattern dynamics method, this project conducts in-depth research on the topological characterization and dynamic evolution mechanism of typical meso-structure of asphalt mixture in mesoscale domain. Firstly, based on the industrial CT and topological spatial relationship theory, the algorithm of three-dimensional meso-structure reconstruction of asphalt mixture is developed, the model of meso-structure topological spatial relationship is established, and the meso-typical structure corresponding to the gradation of asphalt mixture is proposed. Secondly, based on pattern dynamics and digital speckle method, the algorithm of aggregate motion and strain field extraction of asphalt mortar are developed, and different stress modes are established. The dynamic evolution model of meso-structure of asphalt mixture is established to determine the macro-performance and meso-evolution constraints of topology optimization. Finally, based on the topological optimization method, a representative cell model of meso-typical structure is proposed to determine the optimal meso-typical structure of asphalt mixture based on reliability. This project is important for improving the design method of asphalt pavement materials and improving the durability of asphalt pavement materials.

沥青混合料细观结构的复杂性及破坏演化机理的不明确是制约材料组成优化的关键问题。目前常用的细观尺度研究方法可以获取细观结构和演化信息，但缺乏精确的数学表征方法，成为制约高性能沥青混合料设计的瓶颈。本项目借助拓扑理论和斑图动力学方法，深入开展细观尺度域沥青混合料细观典型结构拓扑学表征及动力学演化机理研究。首先，基于工业CT和拓扑空间关系理论，开发沥青混合料三维细观结构重建算法，建立细观结构拓扑空间关系模型，提出沥青混合料与级配对应的细观典型结构；其次，基于斑图动力学和数字散斑方法，开发集料运动和沥青砂浆应变场提取算法，建立不同受力模式下沥青混合料细观结构动力学演化模型，确定基于宏观性能与细观演化的拓扑优化约束方法。最后，基于拓扑优化方法，提出细观典型结构代表性单胞模型，确定基于可靠度的沥青混合料最优细观典型结构。本项目对于完善沥青路面材料设计方法，提高沥青路面材料耐久性具有重要意义。

沥青混合料细观结构的复杂性及破坏演化机理的不明确是制约材料组成优化的关键问题。目前常用的细观尺度研究方法可以获取细观结构和演化信息，但缺乏精确的数学表征方法，成为制约高性能沥青混合料设计的瓶颈。本项目借助拓扑理论、工业CT技术、数字散斑方法，深入开展细观尺度域沥青混合料细观典型结构拓扑学表征及动力学演化机理研究。首先，建立了沥青混合料三维细观结构模型，提出了组团颗粒、骨架颗粒、中心大颗粒划分标准；明确了颗粒质心点选取方法、最小外接矩型确定方法、接触规则，建立了沥青混合料二维拓扑学接触模型；其次，基于拓扑学表征方法，提出了沥青混合料拓扑学特征指标体系，包括：代数连通度、拓扑构型、聚类系数、配位数等，揭示了不同种类沥青混合料的拓扑学指标的差异，提出了与级配对应的沥青混合料细观典型结构；然后，确定了数字散斑方法计算精度及最佳测试参数，提出了沥青混合料破坏动态过程应变场提取方法，揭示了沥青混合料受力条件下细观结构时域空间域动态演变过程，明确了颗粒分布状态对局部化变形传递的影响；最后，基于沥青混合料细观典型结构空间位置分布，建立了沥青混合料细观结构离散元模型；提出了不同受力模式下细观尺度破坏评价指标，阐明了细观结构演变与宏观力学性能的联系，明确了典型结构失效时局部集料和砂浆的接触力变化规律。本项目研究成果对于完善沥青路面材料设计方法，建立沥青路面材料数字化设计体系，提高沥青路面材料耐久性具有重要意义。