基于细观结构的沥青混合料抗永久变形性能研究

车辙是沥青路面主要的病害形式之一。国内外道路工作者对沥青混合料抗永久变形性能方面的研究多局限在宏观上探讨沥青混合料在高温、荷载作用下的变形特性，本课题拟深入到沥青混合料内部，从沥青混合料的细观结构入手，研究集料与沥青的空间分布，以及此空间结构在高温荷载作用下发生了如何的变化，而导致了宏观上沥青混合料永久变形的产生与发展。本课题首先结合数码相机和CT断层扫技术再现沥青与集料的空间分布，建立基于二维几何特征的沥青混合料空间结构重构方法；继而采用离散元方法虚拟沥青混合料永久变形试验，并配合CT扫描研究荷载作用下沥青混合料空间结构的变形发展；最后，结合试验与数值计算结果，研究沥青混合料抗永久变形性能与其细观结构间的联系，从而更好的理解沥青混合料永久变形发生机理，为改善沥青混合料高温稳定性能，解决沥青路面车辙病害服务。

车辙是沥青路面主要病害之一，严重影响路面行车安全和舒适性。传统的连续均质的分析方法难以体现沥青混合料中集料的离散特性。沥青混合料作为多相复合材料，其力学特性与集料、沥青砂浆及空隙的体积含量、空间分布及细观结构息息相关。项目通过建立沥青混合料细观力学模型，虚拟永久变形试验，从细观结构层次分析沥青混合料的永久变形行为。.首先，考虑粗集料颗粒的不规则形状，编写三维不规则多面体形状集料的生成算法，生成各档粒径。利用X-ray CT扫描及数字图像处理技术，生成满足级配特征、考虑了粗集料不规则形状、尺寸与空隙满足一定分布状态的沥青混合料三维离散元数字试件，并与真实试件进行对比验证。.其次，分析沥青混合料内部各相组成材料之间的接触行为，建立了微观接触模型参数与宏观试验参数的关系，并通过室内试验确定了相应的微观参数。采用离散元软件PFC3D，建立了沥青混合料三维虚拟单轴静态蠕变试验和重复荷载蠕变试验方法，分析了虚拟试验结果的变异性，并通过室内试验进行了验证。提出了基于时温等效原理的三维单轴静态蠕变试验和重复荷载蠕变试验的计算效率优化方法，大幅减少三维离散元粘弹性模型的计算时间。在虚拟蠕变试验基础上分析了虚拟试件内部接触力和位移的分布变化及蠕变行为的影响因素。.再次，通过沥青混合料三维虚拟试件生成方法，生成了三维沥青混合料虚拟车辙试件，建立了虚拟车辙试验方法。在虚拟车辙试验基础上分析了车辙试验过程中沥青混合料内部接触力的分布及变化、位移分布、粗集料空间运动轨迹、粗集料转动情况及粗集料接触状态的变化，一定程度上从细观角度揭示了沥青混合料车辙形成机理。.最后，通过虚拟单轴蠕变试验和虚拟车辙试验方法，对集料的宏观特征（粗集料含量和集料分布特征）、集料的细观结构（棱角性、长轴取向及表面纹理）和空隙的细观结构（单个空隙的大小、空隙分布及空隙取向）对沥青混合料的高温永久变形性能的影响进行了分析，提出了提高沥青混合料高温稳定性的合理化建议。