基于三维随机细观模型的沥青混合料断裂行为研究.pdf

第4 6卷第4期武汉科技大学学报V o l.4 6,N o.42 0 2 3年8月J o u r n a l o fW u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yA u g.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 7 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 5 0 8 4 2 8,5 1 7 7 8 5 0 9).作者简介:汤 文(1 9 8 2-),男,武汉科技大学副教授,博士.E-m a i l:t a n g w e n w u s t.e d u.c o mD O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 6 7 4-3 6 4 4.2 0 2 3.0 4.0 0 5基于三维随机细观模型的沥青混合料断裂行为研究汤 文,张自旭,马 迪,吕悦晶(武汉科技大学汽车与交通工程学院,湖北 武汉,4 3 0 0 6 5)摘要:为了从细观层次研究沥青混合料内部损伤失效机理,采用三维激光扫描技术获取真实集料三维形态信息,根据其形态特征参数提出一种三维随机凹凸型集料建模方法,并构建三维虚拟集料库。使用M o n t eC a r l o方法构建A C-1 3三维虚拟试件,利用多刚体动力学方法模拟试件压实过程。采用截面算法获取沥青混合料二维细观模型,在模型有效性和准确性得到验证的基础上利用该模型开展虚拟间接拉伸试验,运用内聚力模型和广义M a x w e l l模型表征沥青混合料断裂行为和黏弹特性,引入断裂损伤指标Dm量化其内部损伤,并利用虚拟试验探讨温度对沥青混合料断裂行为的影响。结果表明,在宏观层次,主裂纹不受温度影响,沿着粗集料的边界逐渐发展直至试件破坏;在细观层次,相较于沥青内部界面单元,沥青-集料界面单元更易出现损伤,更快达到损伤失效点,且受温度影响显著。关键词:沥青混合料;三维细观模型;间接拉伸试验;内聚力模型;断裂损伤指标中图分类号:U 4 1 4 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 4-3 6 4 4(2 0 2 3)0 4-0 2 7 2-0 9 沥青混合料是由集料、沥青砂浆和沥青-集料界面构成的三相非均质复合材料。在细观尺度上,集料离散地分布于沥青砂浆中,集料的几何形态、空间方位等结构特性具有随机分布的特征。这种随机特性导致沥青混合料的劈裂强度、断裂能等宏观力学参数具有较大的变异性与尺寸效应,仅从宏观尺度上利用宏观力学试验对沥青混合料的力学特性进行现象学研究存在明显缺陷。随着计算机模拟与仿真技术的发展,利用随机算法构建沥青混合料细观模型、通过材料参数反映微观结构的随机特征、开展虚拟力学试验研究沥青混合料的力学行为逐渐成为研究沥青混合料损伤行为的一种有效手段1-5。当前常用的沥青混合料建模技术主要有两种,一种是基于C T图像建立三维重构模型6-7,另一种是运用数值算法快速模拟生成随机虚拟集料,采用骨料随机生成、分布算法构建随机骨料模型。其中C T三维重构技术取决于具体的样本,利用该方法研究集料形态特性等因素与力学响应的相关性时需要大量样本,所需成本高且耗时较长。而随机虚拟集料方法虽易于算法实现,便于力学模拟,但无法保证其形态与真实集料间的关系,与实际集料仍存在一定差异。模拟沥青混合料断裂行为主要借助连续及非连续裂缝模型8,内聚力模型作为一种非连续裂缝模型,能从几何外观上直接呈现裂缝的展开,并且收敛性较好,在模拟多裂缝展开问题上更具优势,所以常用于沥青混合料断裂的数值模拟,如K o l l m a n n等9采用C T图像技术对沥青试件进行微观结构检测和重构,并运用内聚力模型表征断裂行为研究了加载方向对沥青混合料断裂行为的影响。数值模拟方法是研究沥青混合料损伤机理的有效手段,但现有的沥青混合料建模技术以及断裂行为模拟方法存在一定缺陷。有鉴于此,本文采用图像处理技术和随机算法构建沥青混合料细观模型,引入内聚力模型(C ZM)和广义M a x w e l l模型开展虚拟间接拉伸试验,利用断裂损伤指标Dm建立沥青混合料细观损伤与宏观行为间的联系,并探讨温度对沥青混合料断裂行为的影响,以期为沥青混合料细观断裂模拟及破坏机理的研究提供参考。1 沥青混合料三维随机细观模型1.1 基于三维扫描技术的虚拟集料库1.1.1 真实集料的重构与形态参数计算使用手持式三维激光扫描仪获取5 2 8颗石灰石粗集料的三维点云数据。首先对粗集料进行标2 0 2 3年第4期汤 文,晶等:基于三维随机细观模型的沥青混合料断裂行为研究准筛筛分、水洗、干燥,以保持颗粒表面清洁、无明显粉尘;然后利用夹具将集料悬空固定在感应点区域,手持三维激光扫描仪匀速扫描集料,具体的扫描过程如图1所示;最后对集料模型进行优化处理,得到具有较高精度的三维集料点云数据模型。根据所采集数据,分别计算这些集料的棱角度指数(A I)和形状指数(F I),得到真实集料的A I与F I分布范围分别为(2 5 0,6 5 0)、(1.3 0,3.6 5)。图1 集料的三维激光扫描试验F i g.13 Dl a s e r s c a n n i n g t e s t o fa g g r e g a t e1.1.2 虚拟集料库的建立及验证早期研究者在构建虚拟集料时,普遍将集料简化为规则的球、椭球或凸多面体,这种处理虽然操作简单,但无法保证其形态与真实集料形态一致,与实际集料仍存在一定差异。故而本文使用如下方法生成三维随机凹凸型虚拟集料:首先在单位球面上随 机生成 集 料 的 顶 点,利 用Q u i c kh u l l算法构建集料顶点的三维包络面;再借助b a-t a函数实现集料沿三维方向的拉伸;最后将集料缩放到指定的粒径范围。对照采集计算所得真实集料的A I与F I指标,逐一检测随机生成的虚拟集料,建立了由4 00 0 0颗粒径为2.3 61 6mm的集料所构成的3 D集料库,虚拟集料库中集料的A I与F I的统计学特性与实测集料特性相符,部分集料如图2所示。图2 虚拟集料库部分集料F i g.2P a r t i a l a g g r e g a t e s i nv i r t u a l a g g r e g a t e l i b r a r y1.2 三维细观模型的构建虚拟集料库的建立为沥青混合料三维细观模型的构建提供了较好的基础,后者本质上是粗集料随机 投 放 到 沥 青 胶 浆 中 的 过 程,通 常 采 用M o n t eC a r l o方法实现。将粒径不小于2.3 6mm的颗粒定义为粗集料,在建模过程中将粗集料按尺寸由大到小依次随机投放到模型的几何边界内,直至满足设定的集料填充率。模型几何边界内没有被粗集料填充的 部分为沥青砂浆,沥青砂浆由粒径小于2.3 6mm的细集料和沥青胶浆构成。由于随机算法的制约,设定集料填充率目标值为6 0%,随机模型生成后采用压密算法将模型压密,提高集料填充率至8 5%。集料在随机投放及压密过程中,需要进行干涉检测。为了提高建模效率,本文使用如下方法实现集料的干涉检测:(1)建立集料的包围球,对包围球进行相交检测,若包围球不相交,对应的集料一定不发生干涉,若包围球相交,对应的集料有可能发生干涉;(2)集料的包络面由若干个三角形的面构成,若两颗集料发生干涉,两颗集料的包络面中一定有三角形的面相交,对包围球相交的集料,运用空间三角形对相交检测技术1 0判断其实际干涉情况。因本研究基于随机投放程序试算结372武汉科技大学学报2 0 2 3年第4期果所设定的目标填充率(6 0%)与实际密级配沥青混合料相应值差距较大,将导致粗集料周边的空隙偏多,无法形成嵌挤结构,严重影响沥青混合料宏观性能预测精度。为了提高细观模型的集料填充率,本文采用多刚体动力学方法模拟竖向荷载作用下沥青混合料在试件模具中的压密过程。在细观模型压密过程中,粗集料间的碰撞响应是一个复杂的过程。首先采用刚体系统动力学和碰撞理论建立两颗集料间(一个集料对)的碰撞响应模型,针对更加复杂的多集料碰撞响应模型,将其视为多个集料对在同一时刻连续发生碰撞,在求解过程中,把集料在上一集料对碰撞后的运动状态视为其在下一集料对碰撞前的运动状态。图3所示为沥青混合料在压密前后的三维细观模型。(a)压密前(b)压密后图3 三维细观模型F i g.3T h r e ed i m e n s i o n a lm e s om o d e l1.3 基于截面算法的二维模型获取因利用三维沥青混合料试件进行虚拟力学实验存在很大困难,基于二维沥青混合料细观模型进行力学分析仍是当前开展相关研究的主要手段,故而本文提出了一种基于三维沥青混合料模型的截面算法,利用所获取的二维细观模型来进行沥青混合料细观力学分析。以构建的密实型沥青混合料模型为基础,设定切面方程,分析计算切面与试件中集料边界的交点,获取集料二维信息。通过循环逐一计算每个集料的交点,从而生成二维细观模型数据。沥青混合料试件不同高度处的二维截面模型如图4所示。图4 沥青混合料三维随机集料模型及二维截面F i g.43 Dr a n d o ma g g r e g a t em o d e la n d2 Ds l i c eo fa s p h a l tm i x t u r e2 沥青混合料的虚拟间接拉伸试验方法及验证2.1 虚拟间接拉伸试验方法选用密级配沥青混合料A C-1 3生成马歇尔标准试件,以 公路工程沥青及沥青混合料试验规程(J T GE 2 02 0 1 1)规定的级配范围中值作为设计级配,按前文模型构建方法获得效果如图4的沥青混合料三维随机集料模型。设计虚拟间接拉伸实验的步骤如下:构建沥青混合料3 D随机集料模型并获取其不同高度处的二维截面模型,通过对生成的二维数字细观模型进行预处理,运用布尔运算加入沥青砂浆,引入双线性C ZM与广义M a x w e l l黏弹性模型,建立沥青混合料有限元模型。利用高密度的三角形网格实现沥青混合料破坏过程中裂缝的自由扩张。在单元网格划分过程中,沥青砂浆和集料采用6节点p l a n e 1 8 3三角形单元,界面采用6节点i n-t e r 2 0 3界面单元,首先利用三角形单元对沥青砂浆和集料进行网格划分,控制单元边长不超过3mm,然后将0厚度的界面单元逐一插入每个沥青砂浆三角形单元的共有边,以及沥青砂浆与集料的界面位置,集料内部不设置界面单元。设置集料杨氏模量为5 50 0 0MP a,泊松比为0.21 1,以4722 0 2 3年第4期汤 文,晶等:基于三维随机细观模型的沥青混合料断裂行为研究5 0mm/m i n的位移加载于试件顶部,约束底部,两侧不加约束,模拟沥青混合料间接拉伸试验。2.2 黏弹性材料模型沥青混合料的力学性能随时间和温度变化,是一种典型的黏弹性材料。广义M a x w e l l模型是一种使用较为广泛的黏弹性模型,该模型由许多相互平行的M a x w e l l单位和一个弹簧组成,可以表征瞬时弹性、延迟弹性、应力松弛和黏性流动。模型的应力应变关系可描述为=t0E(t-)d(1)E(t)=E0+mi=1ie x p(-ti)(2)式中:为应力,t为时间,为应变,为延迟时间,E(t)为松弛模量,E0为初始松弛模量,m为并联M a x w e l l元件数量,为平衡模量,i为相对模量,i为松弛时间。沥青砂浆的黏弹性参数采用P r o n y级数表示9,具体数值见表1。表1 广义M a x w e l l模型的p r o n y级数系数T a b l e 1P r o n ys e r i e s c o e f f i c i e n t so f t h eg e n e r a l i z e dM a x w e l lm o d e l-1 0(E0=5 2 2 0MP a)ii 0(E0=5 2 5 0MP a)ii 1 0(E0=5 2 4 0MP a)iii=13.9 71 0-32.4 51 0-21.9 11 0-42.7 31 0-21.3 91 0-52.6 21 0-2i=20.1 8 20.3 4 58.6 11 0-30.3 4 46.3 11 0-40.3 4 4i=31.6 30.1 8 37.8 21 0-20.1 8 45.6 91 0-30.1 8 4i=43.8 40.1 9 40.1 8 30.1 9 11.3 31 0-20.1 9 2i=51 0.70.1 00.5 1 20.1 0 13.7 31 0-20.1 0 1i=62 6.28.5 91 0-21.2 58.4 81 0-29.1 21 0-28.5 21 0-2i=76 6.05.5 51 0-23.1 55.5 51 0-20.2 3 05.5 61 0-2i=82.1 61 031.1 51 0-21.0 31 021.1 51 0-27.4 91.1 51 0-22.3 二维内聚力模型利用二维C ZM表征沥青混合料内部裂纹的产生和扩展,能有效模拟材料塑性区内的断裂行为,既节省了计算成本,又契合了沥青混合料断裂行为的特殊性1 2。使用该模型定性或定量分析沥青混合料设计变量对整体沥青混合料性能的影响时,无需依赖密集的实验室性能测试。假定集料在受力过程中不发生损伤和断裂,保持线弹性受力状态。在有限元模型的材料内部所有沥青砂浆单元之间、沥青砂浆-集料的界面处插入具有双线性牵引分离定律的C ZM单元以允许任意随机裂缝路径的出现。插入的0厚度内聚力模型单元有两种(见图(5),一种是沥青内部界面单元,另一种是沥青-集料界面单元,二者均被赋予不同的参数。需要指出的是,在植入C ZM单元的同时会引入虚假的刚度,从而造成材料软化以及收敛困难等问题。为减少这种不利影响,本文采用混合断裂模式下的双线型C ZM并运用黏性正则化稳定界面分层以保证计算过程顺畅且不易出现收敛错误。双线型C Z M张力-位移关系如图6所示。对于混合断裂模式下的双线性内聚力定律,材料界面的分离取决于位移的法向分量和切向分量。界面上的牵引力和相应的界面分离(界面上的位移)之间的本构关系组成可描述为T=f()(3)式中:T为裂缝上的张开应力;为开裂界面上的张开位移。(a)沥青内部界面(b)沥青-集料界面图5 插入模型中的C ZM单元F i g.5C ZMe l e m e n t i n s e r t e d i n t o t h em o d e l572武汉科技大学学报2 0 2 3年第4期(a)法向(b)切向图6 双线性C ZM张力-位移关系F i g.6T e n s i o n-d i s p l a c e m e n t r e l a t i o n s h i po fb i l i n e a rC ZM 在材料开裂、形成新裂纹的过程中,所释放的能量称为断裂能G,其计算通式为G=Td=f()d(4)为了更好的阐释材料虚拟劈裂过程并进行相关分析,必须定义单元的破坏和失效。对于单一断裂模型来说,损伤的初始即为张开位移达到材料可承受的最大值时。然而,对于混合断裂模型,损伤可能在满足任何单一模式断裂标准之前就已经开始。因此,必须综合分析界面位移法向分量和切向分量,考虑它们对材料界面分离贡献的差异,以确定损伤起始标准。混合断裂模式的无量纲有效位移定义为=ncn2+2tct2(5)式中:n为法向张开位移;cn为单元破坏失效时的法向张开位移;t为切向张开位移;ct为单元破坏失效时的切向张开位移;为无量纲参数,表示切向位移间断和法向位移间断的权重,其值取1。混合模式双线性C ZM的断裂损伤指标Dm定义为Dm=0,m a xc rm i n(1,dm),m a xc r(6)式中:dm=m a x-c rm a x;c r=*ncn=*tct;=cncn-*n=ctct-*t;m a x=m a x(),0。其中,*n是材料可以承受的最大法向张开位移;*t是材料可以承受的最大切向张开位移;c r是张开应力最大时的有效位移;m a x是界面分离过程中的最大有效位移。通过三点弯曲试验1 3确定沥青混合材在不同温度下的断裂能,获得相应的C ZM参数如表2所示。完成虚拟间接拉伸试验模型构建,随机生成两种A C-1 3沥青混合料圆柱体试件二维有限元模型如图7所示。表2 不同温度下的C ZM参数T a b l e 2P a r a m e t e r so fC ZMa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s沥青内部界面-1 001 0 沥青-集料界面-1 001 0抗拉强度T/MP a4.72.72.54.52.52.3劈裂能G/Jmm-20.3 1 40.7 61.6 3 10.3 1 40.7 61.6 3 1图7 二维有限元模型F i g.72 Df i n i t e e l e m e n tm o d e l2.4 模型的验证为了验证利用二维C ZM进行沥青混合料虚拟间接拉伸试验的合理性,将其试验结果与沥青混合料室内间接拉伸试验结果进行比较。沥青混6722 0 2 3年第4期汤 文,晶等:基于三维随机细观模型的沥青混合料断裂行为研究合料室内间接拉伸试验按 公路工程沥青及沥青混合料试验规程(J T GE 2 02 0 1 1)设计,选用壳牌7 0#基质石油沥青,以辉绿岩为集料、石灰岩矿粉为填料。在最佳沥青用量下成型A C-1 3级配的马歇尔试件,试件直径为1 0 1.6mm、高度为6 3.5mm,分别在-1 0、0、1 0 条件下进行间接拉伸试验,根据试验结果计算出沥青混合料的劈裂强度。在进行沥青混合料的虚拟间接拉伸试验时,对生成的沥青混合料三维A C-1 3细观模型进行切片以获取相应的二维模型。在多个三维混合料试件的不同高度处截取平面进行虚拟间接拉伸试验,试验温度条件与室内间接拉伸试验相同,最后根据试验结果计算出沥青混合料劈裂强度。为减小误差,取不同温度下虚拟间接拉伸试验所得沥青混合料劈裂强度平均值与相应室内间接拉伸试验所得沥青混合料劈裂强度平均值进行比较,结果如图8所示。由图8可见,与相应的室内间接拉伸试验结果相比,虚拟间接拉伸试验所得试件劈裂强度波动较小,并且在0时,两种试验所得试件劈裂强度的平均值十分接近,相对误差较小。该结果表明,利用二维C ZM设计虚拟间接图8 不同温度下虚拟试验与室内试验劈裂强度平均值F i g.8A v e r a g es p l i t t i n gs t r e n g t ho fv i r t u a la n dl a b o r a t o r yt e s t sa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s拉伸试验模拟沥青混合料的断裂行为具有较高的准确度。3 温度对断裂行为的影响3.1 宏观裂纹分析选取图7所示的沥青混合料二维有限元模型二,在不同温度下对虚拟试件进行力学加载,材料的裂纹扩展情况见图9。从图9中可以看出,沥青混合料发生断裂时的裂纹由主裂纹和细碎的微裂纹组成。温度变化对主裂纹扩展轨迹无明显影响,在不同试验温度下,试件的主裂纹均出现在粗集料周围,并且沿着粗集料的边界逐渐扩展直至试件破坏,而局部微裂纹的变化特征则因温度而异。经分析可知,当集料的排列和嵌挤方式固定时,沥青混合料承载能力薄弱位置不随温度变化,因此温度对主裂纹轨迹变化影响不大。此外,在-1 0环境下,沥青混合料表现出典型的脆性材料性质,脆性劈裂行为在应力重新分布之前会造成材料局部破坏,这将导致更明显的损伤发展路径。从宏观层面上来看,沥青混合料的黏弹性行为受温度影响显著,在不同温度下加载时,相应的试件破坏过程、破坏形式必然存在明显差异。图1 0所示为不同温度下,沥青混合料虚拟试件从加载开始到损伤破坏过程中的加载反力随时间变化的曲线。由图1 0可见,不同温度下虚拟试件的反力峰值均符合图8所示的试验统计结果。在测试初始阶段,试件裂纹尖端内聚力区域中的应力随着位移的增加而增大;当应力达到最大值后,该处点损伤开始萌生,材料刚度软化;此后应力值随着位移的增加而减小,该处承受载荷的能力降低,损伤不断累积;当应力减至0时,该处裂纹完全扩展,使得界面开裂失效,材料失去承载能力。图9 不同温度下模型裂纹扩展情况F i g.9C r a c kg r o w t ho fam o d e l a td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s772武汉科技大学学报2 0 2 3年第4期图1 0 不同温度下模型的时间-反力曲线图F i g.1 0T i m e-r e a c t i o nc u r v e so fam o d e la td i f f e r e n tt e m-p e r a t u r e s3.2 细观损伤分析仅从宏观尺度研究温度对材料损伤的影响,难以准确描述混合料细观结构的破坏,因此引入断裂损伤指标Dm从细观层面量化材料的断裂损伤。Dm表示细观单元的伤害等级,是判断单元是否破坏的指标。当其值大于0时,表示单元出现损伤,当其值等于1时,则表示该单元损伤失效。选择0下试件裂纹扩展路径上相同位置的两种典型界面单元来考察材料内聚力单元的断裂过程,相应单元的断裂损伤值Dm与加载时间的关系曲线如图1 1所示。由图1 1可知,沥青内部界面单元与沥青-集料界面单元的断裂过程基本相同。以沥青-集料界面单元为例,其损伤失效可分为四个阶段:第一阶段为00.1 8s,在此阶段,因应力小于材料抗拉强度,故试件未发生损伤,断 裂 损 伤 值 等 于 零。第 二 阶 段 为0.1 80.3 5s,当位移加载进行到0.1 8s时,应力等于材料抗拉强度。之后试件开始出现断裂损伤,断裂损伤值从0增至0.8 5,几乎与加载时间成正比。在这个阶段中,尽管加载时间较短,试件位移增加也很小,但损伤值却明显增大。这表明材料损伤一旦开始将会迅速发展,微裂纹从初始损伤点开始向周围扩展,顶、底部某些单元的断裂损伤值已经增至1,单元失效。第三阶段为0.3 50.6s,当加载时间为0.3 5s时,整个试件黏结力达到最大值。此后,黏结力下降,该单元的开裂加速。在此阶段,虽然加载时间有所增加,但相应的断裂损伤值增量却明显减少,微裂纹扩展从前一个单元连接到该单元,附近可以找到贯穿的裂缝。第四阶段为加载时间超过0.6s,单元节点位移超过极限位移,该点的黏结力降至0,裂纹穿过该单元。此时该单元已失效破坏,断裂损伤值不再随加载时间的延长而产生变化。从图1 1中还能看出,沥青-集料界面单元先于沥青内部界面单元出现损伤,前者也更早达到损伤失效点。该测试结果与宏观裂纹变化相契合,主裂纹围绕粗集料边界产生,且沿着粗集料-沥青交界处逐渐扩展。类似地,分别在-1 0、1 0下对沥青混合料虚拟试件进行力学加载,两种界面单元也表现出与图1 1相同的破坏规律,此处不再赘述。图1 1 裂纹路径上失效单元的断裂损伤值与加载时间关系图F i g.1 1 R e l a t i o n s h i p b e t w e e nf r a c t u r ed a m a g ev a l u ea n dl o a d i n g t i m eo f f a i l u r en o d eo nc r a c kp a t h3.3 损伤分布为了从全局考虑温度对试件损伤的影响,在观察到最大反力时计算试件断裂损伤值的累积分布函数,从而分析温度对整个试件损伤分布的影响。通过多组试验发现,损伤主要出现在试件的中心位置且分布较为集中,该部位对应试件水平方向上拉伸应力最突出的区域,因此选择试件中心面积为8 0mm8 0mm的区域建立损伤累积分布函数,详情如图1 2所示。在最大反作用力时间点于3种温度下分别选中区域内所有界面单元,计算得到试件断裂损伤值累积分布函数如图1 3所示。由图1 3可见,各试件断裂损伤值曲线与y轴的交点值(x为0)表示未损坏单元所占比例,当达到最大反力时,并非所有界面单元都出现损坏。在同一温度下,沥青内部界面单元始终比沥青-集料界面单元的损坏比例低,这种显著的差异表明,沥青-集料界面单元较沥青内部界面单元更易损伤。随着温度升高,试件整体损伤单元数量呈上升趋势。不过,即使在-1 0低温环境下试件两种界面单元的损伤数量相对较少,低比例的单元损伤仍能造成整个试件严重破坏。为了进一步探究沥青混合料在不同温度下的损伤分布规律,在最大反力时间点,选取混合料试件中出现损伤的单元建立断裂损伤值累积分布函数,结果如图1 4所示。由图1 4可知,在-1 0 环境下,试样中心区域沥青-集料界面单元和沥8722 0 2 3年第4期汤 文,晶等:基于三维随机细观模型的沥青混合料断裂行为研究(a)损伤分布(b)区域选择图1 2 水平应力图和损伤分布分析的区域选择F i g.1 2E l e m e n t s e l e c t i o nf o rh o r i z o n t a l s t r e s sd i a g r a ma n dd a m a g ed i s t r i b u t i o na n a l y s i s青内部界面单元的损伤呈现不均匀分布,断裂损伤值不大于0.5的单元比例超过7 0%,大部分单元处于微损伤状态;这是因为在-1 0环境下试件发生脆性断裂,非常少的单元失效就会导致临界裂纹扩展并使试件断裂失效。同时也意味着,图1 3 3种温度下选中区域内所有界面单元断裂损伤值累积分布函数F i g.1 3C u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o no ff r a c t u r ed a m a g ev a l u e s o f a l l i n t e r f a c e e l e m e n t s i n t h e s e l e c t e d r e g i o na t t h r e et e m p e r a t u r e s图1 4 3种温度下选中区域内损伤界面单元断裂损伤值累积分布函数F i g.1 4C u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o no ff r a c t u r ed a m a g ev a l u e so fd a m a g ei n t e r f a c ee l e m e n ti ns e l e c t e dr e g i o na tt h r e e t e m p e r a t u r e s在低温环境下,整个试件的损伤随着载荷的增加不断加重,当最易受损伤部分的单元失效时,材料不能借助延性过程来承受更大的载荷,整个试件将迅速破坏失效;在1 0 环境下,试样中心区域沥青-集料界面单元和沥青内部界面单元的损伤分布均匀性均较-1 0时有明显改善,这是因为1 0下的沥青混合料具有良好的延展性,局部单元损伤引起的应力集中会转移到周围无损伤的单元上,材料在发生明显受力软化时仍能承受不断增加的载荷,当单元破坏失效后依具有传递应力的能力。通过比较试件中沥青-集料界面单元和沥青内部界面单元损伤分布情况可以看出,在3种温度下,沥青内部界面单元的损伤集中在较小区域,而沥青-集料界面单元损伤分布更均匀,损伤程度也更严重,表明沥青-集料界面单元更易损伤,这与宏观裂纹观察结果以及单个单元损伤规律相吻合。4 结论(1)基于真实三维集料的形态分布特性,提出了一种形态可控的快速三维虚拟集料模型构建方法,可替代真实集料实现沥青混合料细观模型构建,弥补了需要大量图像采集、处理存在的不足,加快了相关实验研究进程,也体现了数值模拟的优越性。(2)利用内聚力模型和广义M a x w e l l模型分别表征微裂纹的开展和黏弹特性,通过建立有限元模型开展了虚拟间接拉伸试验,以室内实验结果验证了虚拟力学实验的准确性和有效性。(3)在宏观层次,温度不影响试件主裂纹的轨迹,主裂纹往往发生在粗集料周围,且沿着粗集料的边界逐渐发展直至试件破坏。在细观层次,沥青-集料界面单元较沥青内部界面单元更易出现损伤,且更快达到损伤失效点;随着温度升高,试件整体损伤单元数量呈上升趋势;低温环境下较少的单元损伤便能导致试件整体破坏失效。972武汉科技大学学报2 0 2 3年第4期参考文献1 G a oJF,W a n gH N,B uY,e t a l.E f f e c t so f c o a r s ea g g r e g a t ea n g u l a r i t yo nt h e m i c r o s t r u c t u r eo fa s-p h a l tm i x t u r eJ.C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i-a l s,2 0 1 8,1 8 3:4 7 2-4 8 4.2 杨小龙,申爱琴,郭寅川,等.沥青混合料动态模量预估模型 研 究 进 展 J.材 料 导 报,2 0 1 8,3 2(7):2 2 3 0-2 2 4 0.3 付军,刘洁,雷力,等.沥青混合料劈裂试验的细观有限元模 拟 与 测 试 J.实 验 力 学,2 0 1 8,3 3(3):4 1 9-4 2 7.4 K u a n gDL,W a n gXT,J i a oY,e ta l.I n f l u e n c eo fa n g u l a r i t ya n dr o u g h n e s s o f c o a r s e a g g r e g a t e so na s-p h a l t m i x t u r ep e r f o r m a n c eJ.C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,2 0 1 9,2 0 0:6 8 1-6 8 6.5 K o l l m a n nJ,L i uPF,L uGY,e ta l.I n v e s t i g a t i o no f t h em i c r o s t r u c t u r a l f r a c t u r eb e h a v i o u ro fa s p h a l tm i x t u r e su s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dJ.C o n-s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,2 0 1 9,2 2 7:1 1 7 0 7 8.6 汪海年,黄志涵,李磊,等.基于X-r a y C T的沥青混合料三维重构方法J.中国科技论文,2 0 1 3,8(1 1):1 1 1 5-1 1 1 8,1 1 4 4.7 张航,郝培文,凌天清,等.高温重复荷载作用下复合纤维沥青混合料细微观结构分析J.材料导报,2 0 1 8,3 2(6):9 8 7-9 9 4.8 S n o z z iL,C a b a l l e r oA,M o l i n a r iJF.I n f l u e n c eo ft h em e s o-s t r u c t u r e i nd y n a m i c f r a c t u r e s i m u l a t i o no fc o n c r e t eu n d e r t e n s i l e l o a d i n gJ.C e m e n ta n dC o n-c r e t eR e s e a r c h,2 0 1 1,4 1(1 1):1 1 3 0-1 1 4 2.9 K o l l m a n nJ,L uGY,L i uPF,e t a l.P a r a m e t e r o p-t i m i s a t i o no fa2 Df i n i t ee l e m e n tm o d e lt oi n v e s t i-g a t et h e m i c r o s t r u c t u r a lf r a c t u r eb e h a v i o u ro fa s-p h a l tm i x t u r e sJ.T h e o r e t i c a l a n dA p p l i e dF r a c t u r eM e c h a n i c s,2 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c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,W u h a n4 3 0 0 6 5,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d y t h e i n t e r n a l d a m a g e f a i l u r em e c h a n i s mo f a s p h a l tm i x t u r e a t t h em e s o s c o p-i c l e v e l,t h e3 Dm o r p h o l o g i c a l i n f o r m a t i o no f r e a l a g g r e g a t e sw a so b t a i n e db y3 Dl a s e rs c a n n i n gt e c h-n o l o g y.A3 Dr a n d o mc o n c a v e-c o n v e