瀝青混凝土材料細觀損傷的數(shù)值模擬

1、交通科技Transportation Science & Technology總第214期2006年第1期Serial No. 214No. 1 Feb. 2006瀝青混凝土材料細觀損傷的數(shù)值模擬3李芬沈成武楊吉新（武漢理工大學交通學院武漢430063 ）摘要在對瀝青路面心樣進行軸向壓縮疲勞試驗時，結(jié)合CT掃描技術(shù)拍攝了不同疲勞階段下瀝青混凝土的細觀結(jié)構(gòu)圖像 ，利用細觀力學及斷裂力學方法建立了一細觀模型，運用有限元程序?qū)υ嚰暮暧^裂紋形成這一復雜過程進行了模擬。結(jié)果表明，該模型能有效模擬材料的損傷演化過程，在有限的實驗研究基礎(chǔ)上，運用細觀力學方法數(shù)值模擬瀝青混凝土的力學性能是可行的，以

2、彌補試驗的不足。關(guān)鍵詞瀝青混凝土 細觀損傷數(shù)值模擬1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 交通科技Transportation Science & Technology總第214期2006年第1期Serial No. 214No. 1 Feb. 20061994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 交通科技Transportation Scie

3、nce & Technology總第214期2006年第1期Serial No. 214No. 1 Feb. 2006瀝青混合料是具有復雜結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)、多相（氣相、液相、固相）和多層次（微觀、細觀、宏觀）的 復合材料體系，其宏觀行為所表現(xiàn)的不規(guī)則性、不 確定性、模糊性、非線性等特征,正是其微觀結(jié)構(gòu) 復雜性的反映，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與其力學行為和 耐久性有著密切的聯(lián)系。目前瀝青混凝土類材料 力學性能的研究，大都是建立在試驗的研究基礎(chǔ) 上,需要花費大量的人力、物力，所得到的試驗成 果又往往囿于試驗條件、環(huán)境條件等的變化及材 料本身的復雜性，使得試驗成果相對離散，難以反 映實際瀝青混凝土的真實力

4、學性能指標。從瀝青混凝土的細觀結(jié)構(gòu)入手，利用細觀力學的研究方 法,抓住瀝青混凝土材料及其力學性質(zhì)的非均勻 性,結(jié)合理論和試驗成果，建立數(shù)值模型，對瀝青混凝土材料的力學性能和破壞過程進行研究，已成為國內(nèi)外學者研究瀝青混凝土材料力學性能的 主要研究方法之一 1。從細觀角度出發(fā)，瀝青混 凝土可視為由瀝青基質(zhì)為基相，粗骨料為分散相 和孔隙組成的三相復合材料，是一種細觀表現(xiàn)為 非均質(zhì)性的多相非金屬脆性材料2。因此，本文應用CT掃描技術(shù)拍攝了不同疲勞階段下瀝青混 凝土的細觀結(jié)構(gòu)圖像，利用細觀力學及斷裂力學 方法建立了一細觀模型，運用有限元程序?qū)嚎s 疲勞試件的破壞全過程進行了數(shù)值模擬。1瀝青混凝土材料的細

5、觀結(jié)構(gòu)研究近年來研究表明，瀝青混凝土的力學行為遠 比人們認識到的復雜，其性能既受瀝青、集料和孔 隙的體積含量影響，也受這些因素的空間分布影響。采用先進的實驗技術(shù)，引入損傷、非均勻、不 連續(xù)的概念研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并分析其受力破損過程中結(jié)構(gòu)的變化，對混合料的設(shè)計、性能評價具 有重要意義。CT技術(shù)的出現(xiàn)為研究瀝青混凝土 材料細觀破壞機理提供了一種有效方法。上世紀90年代，美國公路發(fā)展戰(zhàn)略研究計劃（SHRP ）就開展了利用CT技術(shù)研究混合料心樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 工作，認為CT技術(shù)可以更合理、有效地定量分析 芯樣內(nèi)部各組分的真實分布3。本文借助室內(nèi)疲 勞試驗，對瀝青混凝土材料細觀結(jié)構(gòu)演化進行了 基于CT圖像分

6、析的細觀力學研究，通過對瀝青混凝土試件在疲勞試驗過程中的細觀結(jié)構(gòu)演化圖 像的處理，建立一細觀模型對試件的破壞過程進 行模擬。所采用的試件為實際路面鉆取的芯樣。試樣直徑為100 mm，試樣高度為瀝青混凝土面 層厚度（160200 mm，包括表面層、中面層、底面 層）。面層結(jié)構(gòu)從上往下依次為：上面層為4 cm3國家自然科學基金項目資助（批準號10372075 ）收稿日期:2005210210a）初始狀態(tài)b）破壞狀態(tài)圖1瀝青混凝土損傷演化的典型CT掃描圖像superpave12. 5的抗滑表層，中面層為 6 cm厚的 AC220I型瀝青混凝土 ，下面層為6 cm厚的AC2 20S瀝青混凝土。在疲勞試

7、驗過程中得到的典型 掃描圖像見圖1。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 交通科技Transportation Science & Technology總第214期2006年第1期Serial No. 214No. 1 Feb. 20061994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2006年第1期李芬等：瀝青混凝土材料細觀損傷的數(shù)值模擬57

8、2瀝青混凝土材料細觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬2.1瀝青混凝土材料的細觀損傷模型瀝青混凝土材料的損傷是指在外荷載或環(huán)境 變化的條件下，由于體內(nèi)細觀尺度的微缺陷如微 裂紋、微孔洞等在荷載、溫度或環(huán)境效應等因素持 續(xù)作用下，產(chǎn)生彌散裂隙并進一步增長、擴展、匯 合,形成一定尺度的宏觀裂紋，導致結(jié)構(gòu)的強度、 剛度下降，以致最終發(fā)生破壞。由實驗分析得知, 細觀上瀝青混凝土的本構(gòu)關(guān)系表現(xiàn)為彈脆性 ，細 觀上微裂隙起裂和擴展表現(xiàn)為張拉形，宏觀上的剪切帶是已經(jīng)擴展的細觀微裂隙網(wǎng)絡(luò)變形、錯動的結(jié)果。因此可采用彈性損傷本構(gòu)關(guān)系來表達細 觀單元的力學性質(zhì)。基于細觀損傷的本構(gòu)模型常 用的有：美國西北大學 Baza nt教授于19

9、85年提 出的微平面模型 （micro plane model）、二維格構(gòu) 模型、隨機粒子模型和基于彈性損傷本構(gòu)關(guān)系的 細觀結(jié)構(gòu)模型等。其中二維格構(gòu)模型可作為巖 石、混凝土類材料破壞分析的一種有效方法，本文采用此模型進行數(shù)值模擬4。2.2細觀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分及開裂準則為了便于數(shù)值分析，模擬材料細觀結(jié)構(gòu)時，將 試件離散為一組正規(guī)排列的三角形單元（如圖2）,三角形結(jié)構(gòu)的邊長為2 mm ,近似模擬出材料中粒徑為2 mm以上的粗集料，該粒徑以下視為 與瀝青結(jié)合形成的基質(zhì)。每一個三角形元素代表 一個細觀結(jié)構(gòu)，按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布規(guī)律給定每一細 觀結(jié)構(gòu)不同的力學參數(shù)，定量地描述材料細觀層次上的非均質(zhì)性。瀝青混凝土

10、中比三角形大的骨 料，可將骨料所在位置的幾個相鄰單元輸入相同 的細觀物理、力學指標，對于孔隙單元輸入相對其 他單元很小的力學參數(shù)。模型假定材料的細觀起 裂擴展由局部拉應力決定，當某處最大拉應力等 于或超過該處細觀結(jié)構(gòu)的強度時，微裂隙起裂擴展。2.3細觀損傷演化數(shù)值模擬過程5采用有限元迭代法進行細觀損傷演化過程模 擬,分析計算分為以下3步。（1）首先用有限元法求解在外載作用下各單 元的細觀應力場及位移場 。（2）將所有細觀結(jié)構(gòu)的抗拉強度®i與其所承受的主拉應力兀進行比較。超過其抗拉強度的 單元將從系統(tǒng)中選出作為破壞單元。（3）當細觀單元發(fā)生破壞時，將單元的彈模用一個相對其他單元很小的數(shù)

11、代替。單元破壞后,荷載將重新分配，再次計算以得出下個破壞單 元，不斷重復該計算過程，如果所有細觀結(jié)構(gòu)的抗拉強度Oti大于其承受的主拉應力（T1i時，則此載荷 下的損傷演化已達到穩(wěn)定。通過上述計算過程，就可以模擬分析出在外 力作用下瀝青混凝土材料的細觀裂隙擴展過程,進而對瀝青混合料的損傷演化過程進行研究。3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論3.1網(wǎng)格劃分和計算參數(shù)模型為能充分反映瀝青混凝土材料的非均勻 性，所使用的生成元形狀要盡量與實際材料的骨 料形狀一致，以實現(xiàn)對實際材料細觀結(jié)構(gòu)在空間 上的真實模擬。為實現(xiàn)這一過程，根據(jù)空隙、瀝青 基質(zhì)與骨料面積比和實際分布形態(tài)點選單元。試驗為軸向壓縮疲勞試驗，簡化為平面應

12、變問題求解，現(xiàn)采用試件右半部（5 cm X16 cm）來建立數(shù)值 模型，單元劃分邊長為2 mm的三角形單元，共劃分單元數(shù)為4 616 個。網(wǎng)格劃分如圖2 a）。計算參數(shù)見表1。表1 計算采用的細觀力學參數(shù)材料密度/g ?cm -3彈模/ MPa泊松比V骨料2. 50060 0000. 16瀝青基質(zhì)1.0357 5000. 303.2數(shù)值模擬結(jié)果瀝青混合料內(nèi)部裂縫的擴展、貫穿與各物質(zhì)組 成的空間分布關(guān)系密切，特別是與粗集料的分布規(guī) 律和長軸取向相關(guān)。 從圖1中可以清楚看到，裂縫 集中在試件中部發(fā)生且繞過粗集料擴展，大多發(fā)生 在粗集料與瀝青基質(zhì)的交界面上，特別是兩個較大 粗集料間距較小的位置，裂紋

13、往往發(fā)育得較寬，而 試件部分初始空隙未見發(fā)展，甚至出現(xiàn)部分空隙體 積減小的現(xiàn)象。試件損傷演化的計算模擬結(jié)果見 圖2。在建立的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)模型中，計算結(jié)果表明，最大主應力都集中出現(xiàn)在粗集料與瀝青基質(zhì) 的交界面上，雖然瀝青基質(zhì)具有一定的抗拉強度,但它的強度遠低于集料的抗拉強度，仍然是瀝青混 合料結(jié)構(gòu)中受力的薄弱環(huán)節(jié)，因此裂紋一般都沿著 此界面迅速展開而使集料脫落。裂紋的擴展模擬反映其受粗集料空間分布的影響較大，裂紋首先出 現(xiàn)在粗大集料的尖角位置，見圖2 b）中白色部分,而后裂紋的擴展都繞過粗集料發(fā)生，未見穿過粗集 料的裂紋；隨著中間主裂紋的擴寬，在其他兩粗集 料間距較小的部位逐漸有裂紋形成，見圖

14、2 c）。比較數(shù)值模擬結(jié)果，見圖2 c）與相應的原始 CT圖像 （圖3），圖中白色顯示為裂紋 ，可以看到兩圖中宏 觀裂隙的位置大致吻合，主要裂縫集中在試件中部 （即中面層）且沿界面擴展。此外，模擬結(jié)果中出現(xiàn) 在集料底部的橫向裂紋在原圖中不明顯，但這類裂紋在圖1中明顯可見，說明該處是比較容易出現(xiàn)裂1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 58李芬等：瀝青混凝土材料細觀損傷的數(shù)值模擬2006年第1期紋的位置，并且從圖3中未觀察到裂紋可能與試件 產(chǎn)生較大變形后使掃描位置變動有關(guān)

15、。從計算模擬與原圖像的比較可見，該模型能較好地模擬試件 損傷演化過程。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 58李芬等：瀝青混凝土材料細觀損傷的數(shù)值模擬2006年第1期1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 58李芬等：瀝青混凝土材料細觀損傷的數(shù)值模擬2006年第1期圖3破壞原圖像c)模擬結(jié)果J r.". 1 一 - .-Kv -_a

16、4i-1 £""?；.L.團敷世- fab)中間過程、i wh Mh .bh L f f F F-卻'I n J xaAleJ-"B0戶 =會窮K驀疋家 m a 畫 空蠻©導r53-T.v-3;p諭締裁石蓉燈 2dr:才專-.I%* *rw 耳 rr BEtorHRJrapBJFaF士?±_a)初始計算模型圖2數(shù)值模擬宏觀裂紋的生成過程1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 58李芬等：瀝青混凝土材料細

17、觀損傷的數(shù)值模擬2006年第1期1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 58李芬等：瀝青混凝土材料細觀損傷的數(shù)值模擬2006年第1期參考文獻4結(jié)語1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 58李芬等：瀝青混凝土材料細觀損傷的數(shù)值模擬2006年第1期(1) 瀝青混凝土材料是具有復雜非均勻性的 復合材料，為了真正、全面地分析研究瀝青混凝土 的力學性能，

18、應從細觀角度入手，將細觀和宏觀的 方法結(jié)合起來，進行基于細觀損傷的瀝青混凝土材料的力學性能的研究 。(2) 結(jié)合CT掃描技術(shù)獲得的瀝青混凝土細 觀結(jié)構(gòu)圖像，建立了一細觀結(jié)構(gòu)模型，運用有限元 程序?qū)υ嚰钠茐娜^程進行了模擬 ，結(jié)果表明， 該模型能有效模擬瀝青混合料的損傷演化過程 。 可進一步應用該模型模擬不同級配條件下的瀝青 混合料的力學行為。1尚巖，杜成斌1基于細觀損傷的混凝土力學性能數(shù) 值模擬研究進展1水利與建筑工程學報，2004，2 (1):23 282徐 菁，吳子燕1混凝土材料細觀結(jié)構(gòu)斷裂數(shù)值模擬1西北工業(yè)大學學報 ，2003，21 (5) :5565593李曉軍，張肖寧1瀝青混合料破

19、損動態(tài)識別研究進展1長安大學學報(自然科學版)2003 (6):11144楊強，張浩，周維恒1基于格構(gòu)模型的巖石類材料破壞過程的數(shù)值模擬 1水利學報，2002 (4) :46505徐曉鵬，彭瑞東，謝和平等1基于SEM圖像分維估算 的脆性材料細觀結(jié)構(gòu)演化方法研究 1巖石力學與工 程學報，2004，23 (21) :3 600 3 6031994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 58李芬等：瀝青混凝土材料細觀損傷的數(shù)值模擬2006年第1期1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 58李芬等：瀝青混凝土材料細觀損傷的數(shù)值模擬2006年第1期Research on Numerical Simulation of Micro 2mechanics Damage ofAsphalt ConcreteL i Fen , She n Che n gw u , Yan g J i x in(School of Transportation ,WU T ,Wuhan 430063 ,China)Abstract : The model o