沥青混凝土细观结构对疲劳损伤敏感性影响及演化机理研究

The microstructures have obvious influence on the macroscopical performance of asphalt concrete, however, the mechanism for affecting the fatigue damage has still not solved. Nowadays, there are no effective research systems to develop a precise 3D microstructural model and determine the viscoelastic-viscodamage constitutive relationship of asphalt concrete, and the technology of numerical simulation for fatigue damage is also needed to improve. According to the previous researches about digital image processing and 3D reconstructing method, this.project investigates the sensitive effects of microstructures on fatigue property and the mechanism of damage evolution. The damage effecting factors are imported into the viscoelastic constitutive relationship, the viscoelastic parameters of asphalt mastic and mechanism of interfacial failure behavior between aggregates and asphalt mastic are established based on the accumulative effect of fatigue damage, and numerical material models are presented to reflect the performance deterioration; The self-adaptive binary method used for gray image of asphalt concrete is improved, so the high precise microstructural reconstruction and numerical program can be developed, determining the relative analysis between dynamic mechanical distribution and fatigue damage; Using the fuzzy analytical hierarchy process and artificial neural network to evaluate the sensitive effects of microstructural characteristics on fatigue damage and evolution mechanism, then, developing a predict model of fatigue performance which considers the effect of multi micro-level factors of asphalt concrete. The research results promote the value of microstructures in performance evaluation of asphalt concrete, and improve the research state of fracture behavior in related disciplines.

细观结构对沥青混凝土的宏观性能影响显著，但其对疲劳损伤的作用机理仍未明确。目前细观结构精确三维重构及材料损伤粘弹性本构关系尚缺乏有效研究体系，且疲劳损伤的数值模拟技术也有待完善。本项目拟在前期所建立的图像处理及三维重构技术的基础上开展细观结构对疲劳性能的敏感性影响及损伤演化机理研究。通过在粘弹性本构模型中引入损伤影响因素，建立考虑疲劳损伤累积效应的沥青砂浆粘弹性参数及集料-砂浆界面失效行为理论，提出描述性能衰减的数值化材料模型；优化沥青混凝土灰度图像的自适应二值化技术，确定高精度细观结构重构及数值化方案，实现动态力学场分布状态对疲劳损伤的相关性分析；基于模糊函数层次分析法及人工神经网络技术，揭示细观结构特征对疲劳损伤的敏感性影响及损伤演化机理，构建沥青混凝土细观尺度多影响因素的疲劳性能预测模型。研究成果提升了细观结构在沥青混凝土性能评估中的应用价值，促进了相关学科在断裂行为研究方面的进展。

沥青混凝土是典型的非均质结构体，针对沥青混凝土的疲劳损伤特性及其敏感性影响因素是明确结构耐久性的重要依据。本项目针对沥青混凝土细观结构开展考虑集料颗粒特征的疲劳损伤研究，以集料颗粒与沥青砂浆界面粘附性衰减作为关键突破点，综合智能化评估方案提出基于细观结构因子的疲劳损伤敏感性分析体系，有效提高了沥青混凝土疲劳损伤的模拟精度。项目研究解决了“集料-砂浆”界面的纳米尺度测试、界面粘结性能影响因素分析与高精度重构建模与损伤预测量化模型的建立等技术难点，并利用多种试验技术探测了沥青混凝土中“集料-沥青砂浆”间的力学特征、晶体组成、形貌状况等，开展了不同岩性集料颗粒界面性能差异的对比分析，从机理方面探讨了界面损伤的影响因素。项目研究成果有效揭示了微观界面的物理力学分布规律，对后续混凝土结构性能衰减预测具有重要意义。.（1）“集料-沥青砂浆”界面细观特征试验技术：利用纳米压痕、X射线衍射仪、扫描电镜、纳米CT与扫描共聚荧光显微镜等高精度设备开展界面特征研究，取得了大量的应用经验与实测数据。测试界面不同点位的硬度与模量，有助于确定界面范围内沥青砂浆的力学性能参数，同时借助本研究确定了适用于“集料-砂浆”界面的纳米压痕试验数据；测定了不同岩性的集料颗粒晶体相，拟从晶体组份角度对界面力学行为进行分析；观测了界面构造组成与表面形貌特征，从物理特征角度分析了界面损伤的差异性；采用纳米CT进行界面空间区域扫描，重构界面局域的空间模型。.（2）界面粘弹性力学行为推导与损伤模拟：解决了零厚度内聚力单元的插入算法及界面断裂模拟，利用纳米压痕数据拟合了界面区域的粘弹性参数；对界面不同点位的粘弹性特征进行了描述，同时为界面断裂的模拟提供了参数。针对断裂模拟中所需要的能量指标，推导了界面的耗散能比；根据具体属于集料、界面或砂浆赋予不同的材料属性，并对界面的损伤开展了数值模拟，同时采用散斑试验验证了断裂过程中界面应变分布场的状况。.（3）不同岩性集料颗粒与再生集料颗粒界面：开展包括玄武岩、石灰岩与辉绿岩在内的不同岩性集料颗粒研究，同时为了积极响应国家交通强国的号召，建立绿色环保内公路材料与结构体系，项目选用了建筑废弃结构破碎物作为天然集料颗粒的替代物。通过对不同岩性集料颗粒的界面细观结构特征与力学性能测试分析，研究了界面性能的差异机理，为材料与结构的性能优化提供了理论基础。