基于三维细观结构与数值模拟技术的沥青混合料变形机理研究

沥青混合料的细观结构特征对其宏观性能有着重要影响。本研究结合X-ray CT扫描与数字图像处理技术，以SMA、Bailey法与Superpave级配沥青混合料为研究对象，构建基于细观结构的沥青混合料三维数值化试样；提出基于三维数值化试样的集料骨架接触状况评价方法与指标，对不同级配沥青混合料的骨架接触状况进行定量评价，并通过APA、SPT与单轴贯入试验对骨架接触参数的合理性进行验证；建立基于三维数值化试样的有限元虚拟试验模型，对APA、SPT、单轴压缩蠕变、动态重复蠕变、单轴贯入试验等混合料高温性能评价方法进行数值模拟；定量研究集料骨架与砂浆对沥青混合料高温抗变形的贡献率，从细观结构角度阐述混合料高温变形机理；基于混合料高温变形虚拟试验结果，修正沥青混合料粘弹性模型并获取其粘弹性与动态特征参数，构建沥青混合料细观结构与宏观变形间的桥梁，为长寿命沥青路面结构设计及永久变形预估提供重要参数。

沥青混合料的细观结构特征对其宏观性能有着重要影响。本研究通过对X-ray CT扫描参数的优化与标定研究，确定了常规Marshall试件的最优扫描参数及滤波片组合；提出了集料骨架接触状况评价方法与指标，并通过APA、SPT与单轴贯入试验对骨架接触参数的合理性进行验证；分别采用5张、10张、32张、64张、128张图进行同一试件的三维重构，最终推荐每隔1mm高度采用一张断层图片进行三维重构可以达到最佳效果；采用优化后的重构模型对沥青混合料进行间接拉伸数值模拟，分别对其应力、应变及位移变化进行了分析；采用优化后的三维重构模型定量研究集料骨架与砂浆对沥青混合料高温抗变形的影响，从细观结构角度阐述混合料高温变形机理；分别将砂浆模量为100MPa、600MPa、1100MPa、1600MPa及有无孔隙等情况下对沥青混合料进行蠕变试验的模拟。. 研究发现砂浆模量的增加可以一定程度上增加沥青混合料抵抗变形的能力；同时，孔隙的存在会对沥青混合料的受力产生较大的影响；基于混合料高温变形虚拟试验结果，修正了沥青混合料粘弹性模型并获取其粘弹性与动态特征参数；采用CT扫描技术对不同受压状态的沥青混合料进行分次扫描，获取其内部的结构信息。研究发现裂纹首先在混合料中部两端位置开始，达到破坏时，下部位置产生的损伤情况较为严重。通过数值模拟方法进行了单轴压缩试验的模拟，从内部应力的角度对该现象产生的原因进行了解释；采用扩展有限元方法（XFEM），对带有预制切口的SCB试件进行了裂纹扩展路径的分析，发现裂纹的扩展会由切口处向顶部荷载方向扩展，穿过集料与砂浆接触等较为薄弱位置，最终贯穿整个试件。孔隙与集料的存在都将一定程度上的延缓了混合料的开裂。本研究构建沥青混合料细观结构与宏观变形间的桥梁，为长寿命沥青路面结构设计及永久变形预估提供了重要参数。