沥青混合料细观断裂行为的观测与模拟技术研究

This proposal presents a matched experimental and numerical simulation method to investigate the meso-fracture law of the asphalt mixture. Firstly, the three point bending cut beam test will be used to simulate the fracture procedure of the asphalt mixture, and the digital image correlation will be adopted to measure the initiation and propagation process, the fracture parameters and determine the meso-fracture criteria of the asphalt mixture. Secondly, the mechanical and fractural parameters of the asphalt mastic and the course aggregate will be determined through simple performance test and indirect tensile test. Meanwhile, the digital image process technique will be used to treat the section image of the beam and establish an efficient and accurate asphalt mixture model. Thirdly, the extended finite element method will be used to conduct the virtual three point bending beam test, during which the meso-fracture procedure will be simulated, the fracture parameters will be analyzed, the fracture laws such as cracking initiation criterion, propagation route will be investigated. Lastly, the validity of the numerical model and the accuracy of the simulation results will be verified using the test result. The research results can provide method for the meso-fracture study of other asphal mixture, and also provide basic support for anti-cracking design and the rehabilitation of the asphalt pavement.

本研究提出一种相互匹配的试验与数值综合模拟技术，用以探索沥青混合料的细观断裂行为规律。首先采用切口小梁三点弯曲试验模拟沥青混合料的断裂过程，并通过数字图像相关技术对其细观裂缝的启裂与扩展过程进行观测，测定沥青混合料的细观断裂参数，分析其细观断裂判据；进而采用简单性能试验及劈裂试验测定沥青砂浆与玄武岩集料的力学参数及断裂参数，并通过数字图像处理技术分析沥青混合料截面图像，生成兼顾计算效率与精度的沥青混合料数字试件；在此基础上采用扩展有限元技术进行沥青混合料虚拟切口小梁三点弯曲试验，模拟其细观断裂过程，探索细观裂缝启裂判据、细观裂缝扩展路径等规律。最后利用试验结果对数值模型的有效性与数值模拟结果的正确性进行验证。研究结果可为沥青混合料的细观断裂机理研究提供一个有效的方法，同时也为沥青混凝土路面的抗裂设计及养护修复技术研究提供理论支持。

裂缝是沥青路面的主要病害类型，沥青混合料的抗裂特性探索则是沥青路面裂缝防治的重要内容。过去对沥青混合料裂缝行为研究多集中在宏观抗裂性能分析上，近年来，随着计算机技术的不断进步，对沥青混合料裂缝行为的研究逐渐深入到细观层面，研究的主要手段是沥青混合料的细观表征与数值分析。受到试验手段限制，沥青混合料裂缝细观实验数据一直缺乏，因此无法对数值分析结果进行验证。在此背景下，本研究探索了一种沥青混合料的细观裂缝测试方法，并提出了同一试件的细观实验数值同步仿真的方法，确保了实验数据与数值分析数据可以相互验证。首先，引入数字图像相关技术，在沥青混合料断裂试验中捕捉其细观裂纹启裂与扩展过程，探索了沥青混合料的细观裂纹形成及扩展规律，计算了其细观断裂参数。同时，一方面通过数字图像处理技术将试验所用试件数字化，建立沥青混合料几何模型；另一方面，将沥青混合料分解为集料和砂浆两部分，分别精确测量其细观力学及抗裂参数，并赋予到几何模型中。进而通过虚拟断裂试验，分析了沥青混合料的细观裂纹启裂、扩展及失稳的过程及其规律，并与室内试验结果相互对比验证。研究结果表明，细观数值仿真与实验仿真所得结果相互匹配，验证了数值分析的准确性，进一步分析得出沥青混合料的细观裂缝行为规律，如启裂判据、扩展路径等。研究成果解决了以往沥青混合料裂缝行为细观分析过程中无法进行实验测试，数值分析结果的准确性无法验证的问题。所提出的细观实验与数值同步仿真的方法为沥青混合料细观断裂行为研究提供了有效途径，也为其他土木工程材料的细观力学分析提供了参考。