考虑多尺度效应的沥青混合料非线性-损伤行为机制研究

Currently, the method widely used for structural analysis and design of asphalt pavements in the world is developed primarily based on the linear elastic constitutive relationship, which, however, disagrees with the nonlinear and damage behaviors that asphalt mixtures exhibit under the coupling of the actual traffic loads and environmental effects. Fully understanding the nonlinear properties and damage evolution of asphalt mixtures plays a key role in interpreting the complicated behavior and improving the design techniques of asphalt pavements. The objective of this proposal is to reveal the micro-meso-mechanism of the nonlinear-damage behaviors of asphalt mixtures. The micro-meso-structures and component properties of asphalt mixtures will be characterized through multiscale test methods and digital image processing techniques, and corresponding characteristic parameters will be determined. Then, a nonlinear-damage constitutive model based on linkages of multiscale properties will be constructed using multiscale numerical simulation methods and composite mesomechanical theories, and methods of calculation and analysis for asphalt mixtures will be proposed under the framework of the multiscale nonlinear-damage theory. On the basis of this methodology, the damage evolution of asphalt pavements under the service conditions will be investigated. The results from this study will provide a theory basis for changing the material and structural design concepts of asphalt pavements, facilitating the development of the multiscale constitutive behavior oriented models for performance predictions, and enhancing the performance of asphalt pavements.

目前国内外广泛采用的沥青路面结构分析与设计方法主要是基于线弹性本构关系建立起来的，这与沥青混合料在实际交通荷载和环境因素耦合作用下表现出的非线性-损伤行为不符。充分认识沥青混合料的非线性特性与损伤演化规律是解释沥青路面复杂行为和提高沥青路面设计技术的关键。本项目以揭示沥青混合料非线性-损伤行为微细观机制为目标，采用多尺度测试方法，结合数字图像处理技术，表征沥青混合料的微细观结构及组分特性，并确定相应特征参数；在此基础上，采用多尺度数值模拟方法和复合材料细观力学理论，建立考虑多尺度特性联系的非线性-损伤本构模型，形成以多尺度非线性-损伤理论为框架的沥青混合料计算与分析方法；并以这种方法为基础，研究沥青路面在服役条件下的损伤演化规律。本研究的成果将为转变沥青路面材料与结构设计思路、促进以多尺度本构行为为导向的沥青混合料性能预测模型的开发、以及提高沥青路面的使用性能奠定理论基础。

沥青混合料在实际交通荷载和环境因素的共同作用下表现出复杂的非线性-损伤行为，明确其非线性特性与损伤演化规律是解释沥青路面结构行为和提高路面性能预测精度的关键。为此，本项目开展了基于多尺度分析的沥青混合料非线性-损伤行为机制研究。具体研究内容及成果包括：（1）完成了沥青混合料非线性-损伤特性多尺度表征方法研究，获取了不同尺度下材料的变形与损伤力学特性以及微细观结构特征参数；（2）建立了基于数字图像技术和计算机断层扫描（CT）技术的二维和三维沥青混合料细观结构模拟方法及沥青路面宏-细观耦合模拟方法，采用黏弹性、断裂、损伤力学理论，分析了在交通荷载与服役环境（包括气温、光照和风速等实测气候数据）共同作用下沥青路面内部的黏弹性响应特征及损伤演化规律；（3）建立了基于随机集料参数化建模技术的二维及三维高集料填充率沥青混合料细观结构快速精细化建模方法；（4）在获得沥青混合料细观结构的基础上，建立了一种跨尺度预测沥青混合料宏观有效热-力特性的统一计算方法，分析了集料形状及含量对沥青混合料有效热-力特性的影响；（5）完成了基于多重应力蠕变-恢复试验和线性黏弹性频率扫描试验的沥青材料非线性黏弹性表征方法研究，分析了沥青材料的非线性应力依赖行为，获取了蠕变过程中的可恢复与不可恢复应变响应。以上研究工作和科学发现可为改善沥青混合料设计质量、提高沥青路面性能预测精度以及揭示沥青路面衰变规律提供理论支撑。