沥青混合料力链时空演化的细观分析

The spatial and temporal evolution of force chain within asphalt mixture is taken as the main line and studied using multi-disciplinary laboratory equipments and research tools. The distribution probability of static force chains is analyzed with the particulate matter mechanics statistically, and the distribution characteristics of force chain are researched using the discrete element method. Dynamic modulus and phase angle of asphalt mixture and asphalt mastic are measured through laboratory test, the mesoscopic parameters of different phase medium in asphalt mixture are calculated, and the mesoscopic model of asphalt mixture is reconstructed using the discrete element method. The SPT (Simple Performance Test) dynamic modulus test is simulated numerically to research the distribution characteristics of force chain, spatial and temporal evolution laws and vector field migration laws of asphalt mixture under the state of compression. And the formation mechanism of deformation is explored in asphalt mixture from the mesoscopic viewpoint. The IDT (Indirect Tension Test) is simulated numerically to research the distribution characteristics of force chain, spatial and temporal evolution laws and vector field migration laws of asphalt mixture, as well as the development, extension and expansion laws of cracks in asphalt mixture specimen under the state of tension. And the exfoliation mechanism of aggregate and asphalt (or asphalt mastic) is explained from the mesoscopic viewpoint. In addition, the research achievements provide the theoretical basis for the deformation of asphalt pavement and interaction mechanism of aggregate/asphalt interface.

本项目以沥青混合料的力链时空演化为主线，采用多学科的试验设备和研究手段开展研究。借助颗粒物质力学统计分析静态力链的分布概率，利用离散元方法研究力链的分布特征；通过室内试验测试沥青混合料和沥青砂浆的动态模量和相位角，推算沥青混合料中各相介质的细观参数，利用离散元方法构建沥青混合料的细观模型；进行SPT（Simple Performance Test）动态模量试验的数值模拟，研究压缩状态下沥青混合料中力链的分布特征和时空演化规律、矢量场迁移规律，从细观角度探索沥青混合料产生变形的形成机理；进行IDT（Indirect Tension Test）试验的数值模拟，研究拉伸状态下沥青混合料中力链的分布特征和时空演化规律、矢量场迁移规律，以及试件中裂纹的发育、延伸和扩展规律，从细观角度阐释集料与沥青（或沥青砂浆）的剥离机理，项目研究成果为沥青路面变形、集料/沥青界面作用机理提供理论依据。

沥青混合料在材料组成上属于多相复合颗粒物质材料，具有对荷载的敏感性、非线性响应、自组织行为等精细力学特性。本项目利用室内试验研究了颗粒物质体系内部力链演化规律，分析了力链分布概率；利用离散元方法重构了三种类型沥青混合料的数字试件，并数值模拟了简单性能试验和间接拉伸试验，研究了力链时空演化和矢量场迁移规律。研究结果包括：（1）在压痕试验中，单一粒径排列颗粒体的力链分布概率呈先增大后以负指数形式减小的趋势，考虑级配的颗粒组合体系，其力链分布概率均呈负指数形式衰减，未出现峰值；（2）在光弹性应力试验中，颗粒接触处越亮，则表示接触力越大，规则排列的结构仅产生竖向压力，不规则排列的结构产生各向异性的压力和拉力；（3）简单性能试验加载模式下，不同温度4个时间点处法向力链分布概率随f的增大先减小后增加，达到峰值后，以负指数形式衰减，三种结构沥青混合料的力链角度分布均呈沿0º-180º水平线和90º-270º垂直线的不对称分布，0º-180º水平线以上部分分布占主导，随着加载时步的增加，角度分布在第一、第二象限所占的比例减小，第三、第四象限所占的比例小幅增加，强力链所占比例均呈减小的趋势，整体集料和砂浆、典型集料和砂浆的最大位移和速度均逐渐增大，砂浆的位移稍大于集料，而砂浆颗粒的细观速度小于集料；（4）间接拉伸试验加载模式下，三种结构沥青混合料的法向力链分布概率随f的增大均呈负指数形式衰减，弱力链的衰减梯度较大，不同温度的力链角度分布差异较大，随着温度的升高，角度分布在第一、第二象限所占的比例小幅度增加，第三、第四象限所占的比例减小，强力链所占比例随温度的升高表现出减小的趋势，沥青性质、集料性质和加载条件均会影响沥青混合料的细观响应。本项目研究成果从细观角度剖析了不同结构类型沥青混合料颗粒体系内部力链网络的演化、分布特性及颗粒位移和速度矢量场迁移规律，为阐释沥青混凝土路面产生的变形、剥离等宏观破损机理提供了理论依据。