基于局部均匀化模型的沥青混合料细观尺度域跨尺寸桥渡机制研究

Meso-scale plays a bridged role to connect meso-micro scale for interaction and macro-meso scale for transition. Current studies mainly focus on a unique scale and ignore the intermedium function of meso-scale for asphalt mixture, this study employs the equivalent inclusion theory of composite materials and the computer-aided technology to investigate the meso-scale bridged mechanism under trans-scale for asphalt mixture. First, based on the dynamic testing methods of asphalt materials, study on the rheological feature of aggregate-asphalt interface transit zone (ITZ) and asphalt fine aggregate matrix (FAM), determine the critical thickness of ITZ and the critical size of defect air voids. Second, apply the industrial computed tomography (CT) and digital image process (DIP) to reconstruct the three-dimensional (3D) point-cloud model of asphalt mixture at meso-scale, analyze the 3D outline and distribution feature of coarse aggregates and defect air voids based on the local information extraction. Finally, based on the equivalent inclusion theory and finite element method (FEM), build locally equivalent models of asphalt mixture at meso-scale, analyze the mesoscopic distribution of mechanical responses for locally equivalent models. Based on the research contents, this study will interpret the interactive function of micro-meso scale according to locally equivalent models by including the visco-elastic parameters of ITZ, and explore the transit function of meso-macro scale via wholly equivalent parameters based on locally equivalent models. Thus, this project will build the meso-scale bridged mechanism under trans-scale for asphalt mixture.

细观尺度域承担着细微观交互与宏细观传递的跨尺寸桥渡作用，现有研究多集中于单一尺寸而忽视了沥青混合料细观尺度域的过渡特性，本项目借助复合材料等效夹杂理论及计算机辅助技术，开展沥青混合料细观尺度域的跨尺寸桥渡机制研究。首先，基于沥青材料动态性能测试方法，研究集料-沥青界面过渡区及沥青砂浆的流变特性，提出界面过渡区临界厚度及缺陷空隙临界尺寸。其次，运用工业CT断层扫描及数字图像处理技术，重建沥青混合料细观结构三维点云模型，基于局部特征信息提取分析粗集料及缺陷空隙的三维轮廓与空间分布特性。最后，基于等效夹杂原理及有限元分析方法，建立沥青混合料细观尺度域局部均匀化模型，分析局部均匀化模型力学响应的分布规律。基于上述研究内容，通过引入界面过渡区粘弹性参数的局部均匀化模型解释细微观交互作用，基于局部均匀化模型的全局等效参数探究宏细观传递作用，最终揭示沥青混合料细观尺度域跨尺寸桥渡机制。

沥青混合料材料组成的复杂形貌及空间随机分布导致其多尺度特性不可忽视。沥青混合料的宏观力学行为及损伤演变规律与其微、细观结构特性有着内在的关联性。为了解决具体工程的应用问题，宏观尺度上沥青混合料的统计平均性质是沥青路面材料优选的主要指导方针。基于层状弹性理论的沥青路面结构设计方法满足连续介质力学理论所提出的材料均匀化假设。单一尺度下小尺寸构件力学性能评价及基于连续介质框架的理论计算分析无法从多尺度本质上解释沥青路面材料与结构的力学行为及损伤机制。因此，开展沥青混合料细观尺度材料组分性能测试及细观尺度域桥渡机制研究，项目自主研发了集料-沥青-集料体系动态剪切流变仪测试装置，实现了集料与沥青交互作用下沥青胶结料流变特性的表征。通过改变加载方式、沥青膜厚、温度与频率的方法，结合集料表面微观物理形貌与化学吸附特性的研究结论，分析了集料-沥青-集料体系物理机械啮合和化学吸附的竞争关系。基于小尺寸沥青砂浆与沥青混合料矩形加载动态剪切流变试验，引入冻融循环与紫外老化的影响，提出了沥青砂浆、空隙及界面等细观组分对沥青混合料耐候性的贡献程度。通过对图像分割算法的优化，完成了沥青混合料细观结构组成的虚拟化重构，提出了表征骨架结构、空隙及砂浆的空间分布及接触的相关方法，实现了沥青混合料细观结构特征组分的参数化表征。采用代表单元与夹杂理论，基于界面黏弹参数、砂浆黏弹参数与空隙缺陷劣化参数的实测获取，实现了细观局部非均匀模型的建立，通过与DIC实测数据的对比分析，揭示了基于实测参数的局部非均匀模型建立与分析是细观结构桥渡机制的主要机理。项目研究成果关注与沥青混合料的多尺度与非均匀分布特征，相关的成果有助于深入理解、分析及预估沥青混合料的力学性能。进而，从多尺度角度出发为沥青路面材料优化设计提供理论支撑及数据支持，为揭示沥青路面材料的损伤机理奠定基础。..