基于离散元方法的沥青混凝土断裂机理分析.PDF

第37卷第2期 北京工业大学学报 V01．37No．2 2011年2月 JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY Feb．201l 基于离散元方法的沥青混凝土断裂机理分析 陈 俊，黄晓明 (东南大学交通学院，南京210096) 摘要i为了从细观角度深入分析沥青混凝土的断裂机理，根据概率理论，建立了集料质量级配与二维数量级 配的关系，并通过计算机随机投放技术生成了具有2种不同沥青膜厚度的沥青混合料二维数字试件；利用离散 元方法，模拟了沥青混合料小梁试件的断裂过程，分析了沥青砂浆抗拉强度、砂浆与集料黏结强度和沥青膜厚度 对沥青混合料断裂过程的影响．结果表明：对于沥青膜较厚的沥青混合料而言，起裂阶段和扩展阶段的裂纹主 要出现在沥青砂浆中，沥青砂浆的抗拉强度是影响混合料断裂的主要因素；当沥青膜较薄时，起裂和扩展阶段的 裂纹在沥青砂浆内部和砂浆与集料界面中都有发现，砂浆抗拉强度决定着混合料的破坏应力和应变，砂浆与集 料的黏结强度决定着混合料裂纹扩展的速率． 关键词i沥青混凝土；断裂机理；离散元；沥青膜；抗拉强度；黏结强度 中图分类号：U414 文献标志码：A 文章编号：0254—0037(2011)02—021l一06 沥青混凝土作为道路工程中广泛使用的一种材料，其力学行为尤其是断裂力学性能与机理一直都是 道路工作者研究的重要课题．以往的研究集中在采用宏观的试验现象法研究混合料级配、沥青种类和性 能等因素对其断裂性能的影响方面，或者采用有限元方法数值分析混凝土试件的断裂过程。“．然而，由于 混合料为复合材料，其力学行为受自身细观结构的影响很大，因此，宏观的试验现象法并不能很好地解释 混合料的断裂机理一。；同时，常规的有限元方法也不能很好地模拟混合料断裂的变形问题． 近年来，离散元方法因具有适合模拟材料大变形问题等优点，在道路材料性能的分析方面显示了广阔 结果相符的结论．但是，如何把离散元方法运用到沥青混凝土断裂性能的分析中，以及从细观角度分析混 凝土的断裂机理，目前尚未见任何报道． 为此，作者以沥青混凝土二维数字试件的获取为基础，把沥青混合料看作是沥青砂浆、集料构成的复 合材料，采用离散元颗粒流程序，分析沥青砂浆抗拉强度、砂浆与集料黏结强度和沥青膜厚度对沥青混凝 土断裂过程的影响，据此研究沥青混凝土的断裂机理． 1 沥青混凝土二维数字试件的获取 1．1数字试件级配的确定 为了便于运用概率理论，假定集料为球体，则对于任一直径为di的球形集料被某平面相切得到直径 为d』平面圆，其概率为 P(D。=dsID。=dt) (1) 式中，D。为球体的直径；D。为对球体切割得到的平面圆直径．根据概率理论，可以得出 收稿日期：2008-06—09． 作者简介：陈俊(198l一)，男，江苏扬中人。博士研究生． 212 北京工业大学学报 2011筵 P(D。=哆)=∑P(D。=di)·P(D。=嘭ID。=di) (2) 式中，P(D。=dj)为等效直径d，的平面圆在单位面积的混合料截面内出现的概率，可由数字图像技术求 得；P(D。=di)为混合料内部所有集料中，当量直径为di的球形出现的概率，即体积比，当混合料中粗细集 料密度相差不大时，可以把体积比理解为质量比，可转化为各级集料的通过率或混合料级配．由式(2)不 D。=d。)的 难看出，由混合料级配P(D。=d；)推测截面级配P(D。=d，)，需要解决的关键问题是P(D。=d，I 求解． 根据陆秀峰‘71和黄碧霞㈨等人的研究，在球形骨料假设条件下，如果将二维截面上所有截面圆按照 径为d；一d…的第i组骨料出现的频率Ⅳ(D。=d；)，两者存在如下关系 Ⅳ(D。=也)=2A∑k，iN(D。=di)