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基于细观力学模型的沥青混合料水损伤分析
| 论文题名： | 基于细观力学模型的沥青混合料水损伤分析 |
| 关键词： | 沥青路面;沥青混合料;水损伤分析;细观力学模型 |
| 摘要： | 在车辆荷载和环境因素的综合作用下，沥青路面在服役初期经常会出现大量裂缝，严重影响路面的使用性能。水分通过多种方式侵入到沥青路面结构内部，是导致沥青路面发生病害的主要原因。因此，分析沥青混合料在不同荷载和水分作用下的水损伤规律具有重要的现实意义。 本文旨在将力学荷载和水分扩散对沥青混合料力学响应的不利影响结合起来，建立沥青混合料细观力学模型进行水损伤分析。基于建立的模型进行浸水状态下的虚拟间接拉伸试验，逐一分析各个因素，包括浸水时间、加载速率、加载角度对沥青混合料抗裂性能的影响。首先利用沥青混合料扫描图像结合数字图像处理技术构建沥青混合料的二维和三维几何模型，并采用内聚力模型表征集料-砂浆界面的粘结水损伤和砂浆内部的粘聚水损伤，以模拟沥青混合料内部的裂纹萌生和扩展。接着利用二维有限元模型进行数值模拟试验，从虚拟模型内部应力分布角度间接验证模型的有效性和准确性。然后将Fick定律应用于水分在混合料内部的扩散，建立沥青混合料细观二维和三维水扩散模型，进行水分扩散模拟。最后通过将材料的力学性能定义为含水率的函数，最终得以实现水分浓度场和应力场的耦合分析。 研究结果表明，所建立的细观力学模型能够有效地模拟水分和机械荷载对沥青混合料整体力学响应产生的影响。浸水时间的延长使沥青混合料内部水分浓度增大，降低了沥青混合料的荷载峰值、刚度和断裂功，且裂缝扩展所需能量也逐渐减小。水分扩散作用显著降低了集料-砂浆界面粘结力和砂浆内部粘聚力。沥青混合料的力学响应和加载速率相关，加载速率越大，沥青混合料试样的荷载峰值越高，材料刚度也逐渐增大，干燥和浸水条件下显示了同样的趋势。沥青混合料在浸水状态下的抗裂性能对荷载水平的敏感性有所降低。加载位置不同，沥青混合料的抗裂性能呈现较大差异，水分的存在使混合料的各向异性得到了削弱。通过将浸水作用下三维模型模拟结果与二维模型进行比较，发现三维模型预测的峰值载荷和材料刚度普遍高于二维模型，三维模型的裂纹扩展需要消耗更多的能量。 |
| 作者： | 张振 |
| 专业： | 交通运输工程 |
| 导师： | 李凌林;倪建华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 合肥工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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