细观尺度下钢桥面铺装用环氧沥青混凝土裂纹形成与扩展机理研究

裂缝是钢桥面环氧沥青混凝土铺装的主要病害形式，本研究首次从微米到厘米级的细观尺度揭示环氧沥青混凝土裂纹启裂机理及扩展路径等规律。引入界面元法，采用块体元与广义界面元分别模拟集料与沥青-骨料界面，设计界面黏附性试验测定热固性环氧沥青-骨料界面参数，建立环氧沥青混凝土细观力学仿真模型，从效率与精度角度综合选取适合本研究的裂缝搜寻方法；综合应用抗拉准则、摩尔库仑准则与断裂能，研究环氧沥青混凝土在极限荷载下裂纹萌生与扩展规律，建立细观裂纹行为与宏观可见裂纹规律的联系。引入数字图像相关技术试验仿真，建立细观尺度裂纹启裂、裂纹尺寸与裂纹扩展路径等规律与荷载的数值关系，与数值仿真结果相互检验；采用细观试验模拟钢板加环氧沥青混凝土的复合结构模型中环氧沥青混凝土的裂纹形成与扩展规律，探索桥面板对材料内在裂缝行为的影响。研究成果有助于优化环氧沥青混凝土抗裂设计，为钢桥面环氧沥青混凝土铺装养护修复提供决策支撑。

裂缝是钢桥面环氧沥青混凝土铺装的主要病害形式，若得不到有效防治，裂缝会迅速扩张，影响钢桥面铺装的使用性能与寿命，造成不利的社会与经济影响。考虑到环氧沥青混凝土是一种多相复合材料，其裂缝行为既与集料、沥青胶浆和空隙的体积含量、力学性质和形态特征有关，又受到这些因素的空间分布影响。而传统的经验与试验相结合的研究方法无法体现这些因素对混合料整体宏观性能的影响，且费时费力，重复和再现性较差。在此背景下，本项目对微细观尺度下对钢桥面用环氧沥青混凝土的断裂行为进行了研究，提出了包含集料不规则形状和空间分布特征的环氧沥青混合料虚拟试件的随机生成算法，采用离散元方法并植入内聚力软化接触模型实施了单边切口小梁虚拟断裂试验，一定程度上揭示了环氧沥青混凝土的每一组成成分在整体材料性能中所起到的物理机制，研究成果有助于完善环氧沥青混凝土抗裂设计并为施工控制提供理论指导。研究项目建立了二维截面上各档集料的数量比例与真实三维级配之间的转换关系；将粗集料颗粒的形态特征抽象为二维凸多边形和三维不规则多面体，提出了单个集料的随机延拓和随机切割生成算法。其次，在上述建立的混合料虚拟试件中植入了能够较好描述各相材料之间接触行为的刚度、滑动和粘结微观模型；以各相单元之间接触处的变形和强度微观参数作为桥梁，建立了材料微观力学特性与材料宏观特性之间的转换关系。再次，建立了环氧沥青混合料单边切口小梁虚拟断裂试验方法；提出了自定义计算时步的优化方法，大幅减小了非均质离散元模型的运算时间；最后，利用已建立的虚拟断裂试验方法，揭示了集料与环氧沥青砂浆微观力学特性的规律性变化和空间分布的变异性、空隙细观结构、粗集料微观形态特征等对环氧沥青混凝土铺装断裂行为的影响规律。