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原文传递路面水稳碎石基层材料细观结构表征及疲劳劣化机制研究

论文题名：	路面水稳碎石基层材料细观结构表征及疲劳劣化机制研究
关键词：	路面材料;水泥稳定碎石;细观结构;疲劳劣化
摘要：	水泥稳定碎石（CSM）基层因其弹性变形小、承载能力强，在公路建设中得到了广泛的应用，作为路面的承重结构层，服役中的CSM基层在持续的循环荷载作用下会不可避免地发生疲劳开裂，基层破坏会造成不可逆转的结构和功能缺陷，并导致上覆沥青混凝土层发生反射裂缝，缩短路面使用寿命。基层的完整性决定了路面结构整体的使用状况，深入研究CSM材料的疲劳行为对路面结构的长期保存具有重要意义。作为一种多相复合材料，CSM材料具有典型的非均质性，在细观尺度上CSM由集料、砂浆基体、界面过渡区（ITZ）和孔隙组成；在微观层次上，硬化浆体又包含有水泥水化产物、毛细孔隙、未水化颗粒等物相，其力学属性的空间分布具有随机性。此外，水泥水化以及干、温缩作用还会在砂浆基体中产生微裂隙缺陷，在荷载作用下微裂纹会发生跨尺度演化而导致结构断裂。由于宏观层次上的复杂变形及力学响应是其细观乃至微观组成与结构的体现，因此，对于CSM材料的疲劳开裂问题，需要基于其非均质多相构成的本质，借助数值手段建立细观非均质的断裂模型，从细观尺度去研究宏观疲劳开裂行为与损伤规律，进而阐明其疲劳损伤劣化机制。　　首先，采用电镜扫描（SEM）、能谱分析（EDS）、纳米压痕等微观表征手段从结构、形态、组分和力学四个方面，研究揭示CSM砂浆、ITZ的细观物理力学特征，确定非均质砂浆及界面相的力学参数分布模型；并基于低磁场核磁共振（NMR）和X射线计算机断层扫描（CT）两种方法来开展CSM材料微观缺陷的量化研究，重点获取砂浆内部孔隙缺陷的数量、体积等参数，并进一步明确砂浆基体内具有微裂纹特征缺陷的长度、宽度、密度等信息，为构建含初始缺陷的细观模型提供依据。　　其次，通过高精度扫描仪与数字图像处理（DIP）技术，获取集料和砂浆的形态及分布参数，并基于离散元法（DEM）和颗粒流（PFC）建模技术，精确重构具有真实骨料轮廓的CSM细观断裂模型。根据CSM材料的力学特性，研究集料、砂浆、ITZ三相物质的接触本构模型，并基于重构模型，通过宏观半圆弯曲（SCB）试验和数值仿真测试，反演计算获取材料的细观模型参数，构建砂浆及ITZ的细观材料力学参数体系。　　然后，通过自定义随机算法，实现了目标级配骨料的随机生成，建立随机多边形骨料模型，并根据纳米压痕表征结果和材料随机场理论，构造了力学属性非均质的细观断裂模型，进一步结合离散裂隙网络（DFN）技术，在砂浆中引入孔隙和裂隙缺陷相，构建含有初始缺陷的CSM五相体（集料、砂浆、界面、孔隙和裂隙）细观非均质断裂模型。基于SCB虚拟单调加载试验，研究微裂缝在包含薄弱砂浆界面和初始缺陷的细观结构中的扩展行为，分析非均质构成对CSM材料细观断裂行为的影响。　　最后，通过室内SCB疲劳试验，研究CSM材料的疲劳寿命曲线及损伤参数，通过平行黏结衰变模型来构建基于DEM的疲劳损伤模型，实现了数值试件中材料性能随时间变化的衰变行为。采用DEM数值模拟手段开展虚拟疲劳仿真测试，研究CSM材料的细观疲劳损伤过程，分析非均质构成对材料疲劳开裂行为的影响，阐明细观尺度的疲劳损伤劣化机制。分析量化了非均质构成对宏观疲劳开裂行为的影响规律，并从砂浆非均质性水平、微裂隙缺陷两个方面建立细观构成因素与疲劳性能之间的相关关系。进一步，基于剩余强度理论研究了CSM试件在不同疲劳寿命阶段的虚拟SCB强度，揭示宏观强度衰变规律，并通过剩余强度表征材料损伤变量，构建了基于强度衰变特征的疲劳损伤评估模型，实现CSM基层的剩余疲劳寿命预测。　　通过本文的细观结构表征、细观模型构建、细观开裂分析三个方面的研究，在宏观疲劳模型中引入了细观构成因素，解答了CSM细观非均质构成特性及其对疲劳开裂影响机制这一核心科学问题，从而建立了细观构成与宏观开裂之间的联系，为CSM基层结构的开裂风险评判、长期服役保存分析及抗裂优化设计提供了基础理论依据。
作者：	赵晓康
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	董侨
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022