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沥青混凝土骨架演化与断裂行为的细观建模分析
| 论文题名： | 沥青混凝土骨架演化与断裂行为的细观建模分析 |
| 关键词： | 沥青路面;沥青混凝土;骨料骨架;断裂行为;随机骨料模型 |
| 摘要： | 沥青路面具有噪音低、平整度好、弹性韧性优良和材料易获取等优点，因此被广泛应用于道路工程中。近年来，中国沥青路面在服役中经常出现开裂问题影响行车安全，因此沥青路面的开裂是道路工程中的重要研究问题。然而，沥青混凝土是复杂的颗粒复合材料，通过实验或宏观均质的数值模拟都难以准确预测沥青混凝土的开裂行为，因此有必要建立沥青混凝土的细观模型，研究其考虑细观组分的断裂过程。本文从细观尺度出发，研究沥青混凝土细观结构的稳定性和断裂失稳过程。 首先，本文针对沥青混凝土的细观结构研究编写了三维球形和多面体的随机投放程序，该程序可以生成较高体积比的试样，且可以定制设计试样的级配曲线。通过该程序研究了不同凹凸程度级配曲线对沥青混凝土有效弹性模量的影响，结果表明级配曲线的凹凸程度对其有效弹性模量影响存在较大差异，级配曲线的下凹（粗骨料占比增大）会导致有效弹性模量迅速增大，级配曲线的上凸（细骨料占比增大）也会引起有效弹性模量略有上升。同时，该程序为研究沥青混凝土的细观性能奠定了基础。 其次，骨料骨架是影响沥青混凝土力学性能的重要因素，不同骨架结构在加载过程中的演化规律是不同的。本文基于计算机图形学开发了一个新颖的识别三维骨料骨架的方法。该方法可以从有限元网格中识别出骨料骨架在加载时的演化过程，且识别过程直观明了。研究发现骨料骨架经历了骨料重分布、骨架形成和骨架失效三个阶段，而荷载的增加会导致骨料骨架更快失去承载能力。另外，粗骨料含量的增加提高了骨架的强度，但当荷载超过承载能力时骨架会更快失效；细骨料含量的增加提高了骨架的稳定性。 最后，为了研究沥青混凝土的断裂失效行为，采用内聚力模型模拟沥青混凝土细观尺度的裂纹萌生和扩展过程，开发了一种基于网格拓扑关系的内聚力单元嵌入程序，实现了沥青砂内部和沥青砂与骨料之间界面内聚力单元的自动嵌入过程，使用得到的模型模拟了沥青混凝土试样在拉伸和压缩时的破坏过程。结果表明，在拉伸过程中沥青混凝土达到峰值应力后会迅速失稳，发生断裂破坏，形成垂直于受拉方向的主裂缝面；在压缩过程中沥青混凝土达到峰值应力后逐渐加速失稳，但速率慢于拉伸过程，内部形成大量与压缩方向成45°夹角的断裂面。 |
| 作者： | 刘誉宏 |
| 专业： | 工程力学 |
| 导师： | 叶永;罗威 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 三峡大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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