基于离散元虚拟试验的沥青混凝土疲劳断裂机理研究

In the past decades, fatigue performance of asphalt concrete (AC) has been extensively studied by many researchers all over the world. As a three-phase material composed of aggregates, asphalt binder and air voids, the fatigue performance of AC is mainly dominated by the volumetric concentrate and spatial distribution of aggregates, asphalt binder and air voids. Previous studies predicting AC fatigue behavior were primarily based on experimental tests, during which, mesostructure of AC cannot be desirably controlled. Therefore, it is necessary to develop digital samples in which the internal structure of AC can be readily controlled for investigating the fatigue failure mechanisms from a mesostructural perspective. .This study presents the development of virtual fatigue testing using the discrete element method (DEM) and digital imaging processing technology. The three-dimensional (3D) DEM model of AC is constructed employing a user-defined computer program in the first part of this study. Important mesostructural features of AC are modeled, including aggregate gradation, air voids and mastic. Virtual fatigue method for four point bending test is developed and validated by laboratory tests in the second section of this study. Thirdly, the change of mesostructure in the 3D digital beam during fatigue process and the effects of mesostructure on the fatigue performance of AC are investigated and discussed by the validated virtual fatigue testing. Results from the study not only can potentially be used for evaluating fatigue performance of AC against dynamic loads but also be of great help for exploring the mechanisms of AC fatigue failure.

沥青混凝土疲劳性能一直以来都是道路科技工作者研究的热点。作为一种多相复合材料，混凝土的力学性能在很大程度上取决于集料、沥青胶浆和空隙的体积含量、分布特征等细观结构。但传统的室内疲劳试验不能有效体现上述因素，很难从细观结构角度揭示沥青混凝土疲劳断裂的本质特征。为此，本项目综合运用离散元方法和图像处理技术，开展沥青混凝土虚拟疲劳试验及其疲劳断裂机理的研究。研究内容包括运用离散元方法建立考虑集料不规则形状、级配和体积含量的沥青混凝土小梁数字试件；建立基于离散元法的小梁四点弯曲虚拟疲劳试验方法，并与室内疲劳试验进行对比验证；采用验证后的虚拟试验研究混凝土疲劳断裂过程中其内部细观结构的变化运动规律，以及集料分布特征、形状特征、体积含量、空隙大小和分布等细观结构对混凝土疲劳性能的影响。研究成果不但为沥青混凝土疲劳性能的研究提供辅助分析手段，对揭示混凝土疲劳断裂本质特征亦具有重要的理论价值。

疲劳破坏是沥青路面的主要损坏型式之一，作为沥青路面主要组成材料的沥青混凝土的疲劳性能一直以来都是道路工作者研究的重要课题。考虑到沥青混凝土为多相复合材料，其疲劳行为既与沥青胶结料、集料和空隙的体积含量有关，也受到这些因素的空间分布影响，因此，从沥青混凝土微细观结构角度研究沥青混合料疲劳行为具有重要的现实意义。.本研究采用离散元方法，在沥青混合料离散元模型和计算微观参数确定的基础上，建立了沥青混合料小梁试件的四点弯曲虚拟疲劳试验方法，并采用虚拟疲劳试验分析了沥青混合料的断裂机理。.首先，依据概率理论，推导了沥青混合料二维截面上粗集料数量级配的计算式；运用计算机随机投放技术，在考虑集料不规则形状和级配特征的基础上，编写了由粗集料和小于2.36mm沥青砂浆所组成的沥青混合料二维数字试件生成程序，实现了混合料二维数字试件的生成，并运用图像处理技术验证了生成程序的正确性。考虑到集料空间形状的不规则性，利用离散元三维颗粒流程序PFC3D内的“Fish”语言编写了集料颗粒生成程序，并建立了可以考虑集料体积百分率、集料级配和空隙特征的沥青混合料三维离散元模型。.其次，根据离散元方法中接触和粘结模型的特点，结合沥青混合料的力学特征，为沥青混合料离散元模型选择了合适的接触和粘结模式；根据离散元方法中各微观参数的物理意义，建立了沥青混合料宏观力学性能与各微观参数的关系，并结合室内宏观力学性能试验结果，确定了常用沥青混合料的各类微观参数，作为离散元计算的输入参数。.然后，通过沥青混合料劈裂试验和动态蠕变试验的离散元模拟，比较沥青混合料二维结构与三维结构在数值计算过程中计算效率和精度的差异，以此选择二维结构模型进行混合料疲劳试验模拟；综合离散元方法和沥青混合料的材料特点，建立了沥青混合料小梁的四点弯曲虚拟疲劳试验方法；运用离散元方法进行了沥青混合料的一次断裂模拟和虚拟疲劳试验，获得了混合料的断裂机理，并通过与室内实际试验结果的比较，验证了虚拟试验方法的正确性。.第四，通过图像处理技术，建立了描述集料扁平率、长轴取向、棱角性和空隙大小、分布的评价指标；并以沥青混合料虚拟疲劳试验为基础，研究了集料和空隙上述微观结构，以及混合料内集料体积含量、集料粒径、集料分布特征等宏观特征对沥青混合料疲劳性能的影响，由此提出了沥青混合料设计的合理化建议。