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原文传递沥青混合料裂缝分支和联结的近场动力学数值模拟研究

论文题名：	沥青混合料裂缝分支和联结的近场动力学数值模拟研究
关键词：	沥青混合料;裂缝分支;裂缝联结;近场动力学;分形维度
摘要：	开裂是沥青路面的常见病害之一，沥青混合料裂缝扩展的过程中能够产生裂缝分支和裂缝联结，分析沥青混合料的裂缝分支和裂缝联结过程，对准确量化沥青混合料中裂缝扩展路径十分重要。然而，采用断裂力学、损伤力学和耗散能理论分析沥青混合料中的裂缝路径，无法获得沥青混合料裂缝扩展过程中的裂缝分支和裂缝联结过程。现阶段针对沥青混合料中的裂缝分支和裂缝联结均处于初级阶段，也未量化沥青混合料中裂缝分支和裂缝联结过程。文中针对现阶段研究存在的不足，从沥青混合料裂缝分支和裂缝联结的理论、数值模拟方法、量化等方面展开研究，获得的主要成果如下。　　（1）运用弹性-黏弹性对应原理获得黏弹性状态下常规态型近场动力学的力密度矢量，以体现沥青混合料黏弹性。通过半圆弯曲试验和虚拟裂缝扩展技术分别获得细集料沥青混合料和粗集料的断裂能，作为沥青混合料内物质点间键断裂的判定准则。采用分形理论中的格子法获得裂缝分支和联结的路径的lbx-lbN曲线，lbx-lbN曲线斜率的绝对值为裂缝分支和裂缝联结路径的分形维度，以量化裂缝分支和裂缝联结路径。　　（2）通过沥青混合料的CT扫描图像，获得沥青混合料的粗集料、细集料沥青混合料和空隙分布，采用MATLAB将粗集料、细集料沥青混合料和空隙的分布转换为0-1矩阵。采用Fortran代码撰写沥青混合料近场动力学数值模型的代码，参照粗集料、细集料沥青混合料和空隙的0-1矩阵对模型中的物质点赋予材料属性，以建立沥青混合料近场动力学数值模型。　　（3）在小梁试件跨中和距跨中40mm处设置预制裂缝，获得含预制裂缝的三点小梁试件的裂缝路径，以及含0°和45°预制裂缝的半圆试件的裂缝路径。将三点小梁试件和半圆试件的裂缝路径位置和分形维度与沥青混合料近场动力学数值模拟的三点小梁试件和半圆试件裂缝路径位置和分形维度相比，其误差均＜5%，验证沥青混合料近场动力学数值模型的准确性。　　（4）沥青混合料的裂缝分支包含两个阶段，第一阶段为沥青混合料中形成初始裂缝后产生裂缝分支形成对角裂缝、翼型裂缝、马尾状裂缝和劈裂裂缝，对应于裂缝分支路径分形维度曲线快速增长阶段；第二阶段为对角裂缝、翼型裂缝、马尾状裂缝和劈裂裂缝产生裂缝分支，在沥青混合料形成丰富的裂缝路径，对应于裂缝分支路径分形维度曲线的缓慢增长阶段。裂缝分支路径在AC-13、AC-25和PAC-13沥青混合料中构成四种裂缝分支类型，在AC-20沥青混合料中构成五种裂缝分支类型。裂缝分支过程包括裂缝尖端的动态扩展、裂缝尖端扩展方向的偏转和裂缝分支的扩展，裂缝分支路径的分形维度达到1.6±0.4。　　（5）沥青混合料的裂缝联结主要发生在对角裂缝、翼型裂缝、马尾状裂缝和劈裂裂缝，以及它们产生的裂缝分支之间，在AC-13、AC-20、AC-25和PAC-13沥青混合料中均构成四种裂缝联结类型。裂缝联结过程包括裂缝尖端的动态扩展、裂缝尖端的接触和裂缝尖端的完全融合，促使沥青混合料中的裂缝形成连通的体系，裂缝路径的分形维度达到1.8±0.1。　　基于以上研究，文中构建了沥青混合料裂缝分支和裂缝联结的理论，建立了沥青混合料近场动力学数值模型，获得了沥青混合料中裂缝分支和裂缝联结的路径，进而通过分形维度量化了荷载作用下沥青混合料中裂缝分支和裂缝联结的路径。
作者：	阮莉
专业：	交通运输工程
导师：	罗蓉
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021