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原文传递沥青混合料粗集料的形态特征研究和力学性能的离散元模拟

论文题名：	沥青混合料粗集料的形态特征研究和力学性能的离散元模拟
关键词：	沥青混合料;粗集料形态;集料生成算法;三轴剪切试验;抗剪性能
摘要：	粗集料形态包括形状、尺寸、棱角和纹理。准确评价粗集料的三维形态对研究粗集料形态对沥青混合料力学性能的影响和选择力学性能良好的粗集料具有重要意义。关于粗集料形态特征对沥青混合料性能的影响的研究主要通过实验室试验。由于实际集料同时具有形状、棱角和纹理特性，在实际研究中无法将各个因素分开研究，因而所得到的结果很难明确说明某一形态特征的影响。使用离散元程序PFC3D，可以构建理想化的集料颗粒，研究单一形态特征对力学性能的影响。　　论文首先使用统计方法研究了粗集料的形状、尺寸、棱角和纹理特征。根据粗集料的三维形状，将粗集料颗粒分为六面体、五面体、四面体和针片状集料四种形状。使用人工手段将各种粒径的石灰岩和玄武岩粗集料样品中不同形状的颗粒分离出来，计算了不同形状的颗粒的个数比例。将粗集料颗粒的三维尺寸分为长轴长度、中轴长度和短轴长度。使用图像处理技术提取了各种粒径的石灰岩和玄武岩粗集料样品的三维尺寸，研究了三维尺寸的均值、标准差和统计分布。基于粗集料的二维图像，提出了使用棱角-纹理系数指标来表征粗集料的棱角和纹理的复合效果，研究了各种粒径的石灰岩和玄武岩粗集料样品的棱角-纹理系数的统计分布和复合棱角-纹理系数，并且使用粗集料的松装空隙率试验验证了棱角-纹理系数指标的有效性。　　根据粗集料三维形态特征的统计分析结果，提出了粗集料三维形态的离散元生成算法。在离散元软件PFC3D中，使用fish语言编写了粗集料生成程序。使用这个程序，只要输入某一粒径集料的三维尺寸信息和棱角信息，就可以随机生成具有不同形状、尺寸和棱角的集料颗粒。所生成的集料颗粒可以和实际集料建立联系。为了生成沥青混合料离散元试件，提出了粗集料的随机投放算法和沥青砂浆的生成算法。粗集料的随机投放算法可以准确模拟粗集料的级配和粗集料在试件中的随机分布。沥青砂浆的生成算法可以有效地模拟沥青砂浆和空隙，并且不会明显改变粗集料的颗粒个数和体积。　　然后，使用虚拟三轴剪切试验评价了粗集料的抗剪性能。为了得到压实的粗集料离散元试样，提出了一种在未知空隙率情况下的粗集料压实算法。该算法需要四个步骤，即集料生成、自重压实、墙体加速压实和墙体均匀压实。使用离散元软件PFC3D模拟了粗集料的三轴剪切试验。在试验过程中，试样两端的墙体以指定的速度向试样施加荷载，试样侧面墙体通过不断调整径向速度对试样施加恒定的围压。基于虚拟三轴剪切试验，通过离散元软件PFC3D构建理想化的集料颗粒，使用控制变量法（改变其中一个参数，保持其他参数不变）系统地研究了粗集料的形状、棱角、纹理、岩性、级配、粒径、立方性和针片状集料含量对抗剪性能的影响。　　最后，研究了轮载作用下沥青混合料的微观力学响应。以骨架型沥青混合料SMA-13为研究对象，建立了SMA-13离散元模型。分析了整个试件内部的接触力分布、沥青砂浆之间、粗集料和沥青砂浆之间以及粗集料之间的接触力分布，并分析了各粒径集料自身之间以及与其它粒径集料之间的接触力分布。将SMA-13试件划分为15个区域，分析了各个区域内颗粒的位移在X轴、Y轴和Z轴正向和负向上的比例，并绘制了各个区域内颗粒的运动图。为了研究各粒径粗集料的运动情况，分析了各粒径粗集料的位移在X轴、Y轴和Z轴上各个区间内的频率分布，并计算了各粒径粗集料在X轴、Y轴和Z轴上位移的平均值。为了研究轮载作用过程中试件内部颗粒的运动速度，分析了10颗9.5mm集料颗粒的平动速度和转动速度分量随着计算步的变化情况。
作者：	张东
专业：	道路与铁道工程
导师：	黄晓明
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