基于多相微观结构组成的沥青混合料疲劳损伤研究

沥青混合料疲劳开裂是目前世界各国沥青路面结构设计的重要控制指标。然而由于沥青混合料内部微观结构组成极为复杂，目前的疲劳研究多局限于宏观尺度的试验分析,对于微观结构的疲劳损伤机理则缺乏研究，这也是导致至今仍无法实现沥青路面结构与沥青混合料组成的数字化设计的重要原因。.本研究拟利用高精度工业CT扫描结合数字图像技术获取复杂的混合料三相微观结构，并通过室内频率扫描和拉伸试验研究建立沥青砂胶的粘弹塑损伤本构模型，结合微观结构数字模型和三相体本构模型，建立体现沥青混合料三相微观结构的有限元模型，分析不同级配、不同砂胶成分、温度与频率等因素对沥青混合料疲劳特性的影响，结合沥青混合料宏观试件的疲劳试验和加速加载足尺疲劳试验结果，对微观有限元分析结果进行验证。在充分认识沥青混合料微观结构疲劳损伤机理的基础上提出新的疲劳设计标准。

本项目研究利用高精度工业CT扫描结合数字图像处理技术获取了真实沥青混合料的三相结构。同时，通过实验室内频率扫描和拉伸试验研究建立了沥青砂胶的粘弹损伤本构模型，结合三相结构数字模型和材料本构模型，建立了基于真实沥青混合料三相结构的有限元分析模型。并对不同的有限元数字模型进行了多种加载模式下的疲劳试验分析和验证。项目的完成情况及取得主要成果概述如下：. 1）开展了基于X-CT技术的沥青混合料多相结构数字图像获取技术研究。利用高精度工业CT，分别对沥青混合料圆柱体试件和小梁试件进行了断层扫描，获得了含有沥青砂胶、集料和空隙的沥青混合料三相数字图像。. 2）利用边界识别技术，将沥青混合料CT图像中的沥青砂胶、集料和空隙进行了边界识别，进而通过分离、转换后导入有限元分析软件中，分别获得了基于三相结构的沥青混合料圆柱体和梁式试件的有限元分析模型。. 3）完成了沥青砂胶材料的小梁试件和圆环试件的制作工作，采用动态剪切流变仪进行了沥青砂胶小梁试件的剪切试验，完成了砂胶材料的粘弹特性分析和本构建模工作；采用MTS试验机进行了沥青砂胶圆环试件的间接拉伸试验，获得了沥青砂胶材料在拉伸状态下的力学响应曲线。上述试验结果作为有限元分析模型的材料特性输入参数。. 4）采用ABAQUS有限元分析软件，完成了对圆柱体试件和小梁试件的多次加载数值分析，实现了基于沥青混合料三相结构的多种模式的圆柱体试件间接拉伸疲劳和小梁试件四点弯曲疲劳的数值分析，并采用本项目研究新建立的沥青混合料实验室内疲劳寿命预测模型对数值分析结果进行了对比验证。