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原文传递细观尺度下钢桥面铺装用环氧沥青混凝土断裂行为研究

论文题名：	细观尺度下钢桥面铺装用环氧沥青混凝土断裂行为研究
关键词：	钢桥面铺装;环氧沥青混凝土;虚拟试件;断裂行为;离散元方法;内聚力软化模型;细观结构
摘要：	裂缝是钢桥面环氧沥青混凝土铺装的主要病害形式，若得不到有效防治，裂缝会迅速扩张，影响钢桥面铺装的使用性能与寿命，造成不利的社会与经济影响。考虑到环氧沥青混凝土是一种多相复合材料，其裂缝行为既与集料、沥青胶浆和空隙的体积含量、力学性质和形态特征有关，又受到这些因素的空间分布影响。而传统的经验与试验相结合的研究方法无法体现这些因素对混合料整体宏观性能的影响，且费时费力，重复和再现性较差。在此背景下，本文依托国家自然科学基金项目“细观尺度下钢桥面用环氧沥青混凝土裂纹形成与扩展机理研究”(51178114)，在微细观尺度下对钢桥面用环氧沥青混凝土的断裂行为进行了研究，提出了包含集料不规则形状和空间分布特征的环氧沥青混合料虚拟试件的随机生成算法，采用离散元方法并植入内聚力软化接触模型实施了单边切口小梁虚拟断裂试验，一定程度上揭示了环氧沥青混凝土的每一组成成分在整体材料性能中所起到的物理机制，研究成果有助于完善环氧沥青混凝土抗裂设计并为施工控制提供理论指导。　　首先，引入逆向体视学的概念，建立了二维截面上各档集料的数量比例与真实三维级配之间的转换关系;将粗集料颗粒的形态特征抽象为二维凸多边形和三维不规则多面体，提出了单个集料的随机延拓和随机切割生成算法;在此基础上，结合区域内多个集料的随机投放技术，实现了环氧沥青混合料非均质（集料、砂浆和空隙）多层次（矿料级配）结构虚拟试件的随机构建方法，有效缓解制备试件样本对试验室条件以及人力物力的依赖。　　其次，通过分析PFC2D/3D中各类微观接触本构模型的特点，结合环氧沥青混凝土内部各相组成材料的力学特性，在上述建立的混合料虚拟试件中植入了能够较好描述各相材料之间接触行为的刚度、滑动和粘结微观模型;以各相单元之间接触处的变形和强度微观参数作为桥梁，建立了材料微观力学特性与材料宏观特性之间的转换关系，提出了针对性的宏观物理试验，为虚拟试验流程中材料参数环节的实现提供了方法。　　再次，在生成虚拟试件和确定材料微观特性的基础上，建立了环氧沥青混合料二维和三维单边切口小梁虚拟断裂试验方法;提出了自定义计算时步的优化方法，大幅减小了非均质离散元模型的运算时间;通过对比分析室内试验结果，验证了随机模型虚拟试验结果的正确性和稳定性;基于室内数字摄影法采集的试件表面破坏图示，结合虚拟试验中采用的微观裂纹监控方法，在二维尺度下探索了环氧沥青混凝土的部分断裂机理;在三维尺度下分析了模型内部各相材料单元间接触力的分布和变化规律，追踪并演示了微观裂纹的衍生发展全过程，在虚拟试验条件下定义了环氧沥青混凝土破坏过程的三个阶段;分析了虚拟断裂过程中裂缝尖端张开口位移（δ25）与裂缝嘴张开口位移（CMOD）之间的变化关系，计算了环氧沥青混凝土的双K断裂参数，并将δ25-CMOD曲线上两个转折点分别与双K断裂理论的起裂点与失稳扩展点建立了联系。研究成果为探索环氧沥青混凝土铺装的裂缝起裂、扩展状态提供了一种新方法。　　最后，利用已建立的虚拟断裂试验方法，揭示了集料与环氧沥青砂浆微观力学特性的规律性变化和空间分布的变异性、空隙细观结构（整体空隙率、单个空隙大小和空间分布）、粗集料微观形态特征（形状、长轴取向、棱角性和表面纹理）等对环氧沥青混凝土铺装断裂行为的影响规律，提出了完善钢桥面用环氧沥青混凝土抗裂设计的建议。
作者：	王江洋
专业：	交通运输工程
导师：	钱振东
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文