基于细观结构的沥青混合料界面开裂特性研究-道路与铁道工程专业论文.docx

摘要为了提高道路使用性能，以及符合环保理念的现代交通发展模式，橡胶粉（CR） 改性沥青混合料被广泛应用于高等级道路建设中。然而随着CR改性沥青混合料路 面服役时间的增长，不可避免的出现各种病害，其中路面开裂是道路病害的主要形 式之一，裂缝的形成严重影响着道路使用性能及使用寿命，因此对沥青路面的开裂 机理及裂缝的扩展规律研究，进而提出防治措施具有重要意义。由于沥青混合料属于多相复合材料，且具有各向异性的复杂特性。基于维象原 理的常规宏观试验只能建立沥青混合料宏观特性与路用性能的关联，而路面宏观裂 缝的产生是由细观损伤发展而来，因此宏观试验不能从根本上对裂纹产生机理及裂 缝扩展规律进行探究，对各组成相间的相互作用及行为本质进行研究必须从细观结 构出发。本文采用数字散斑相关方法（DigitalSpeckleCorrelationMethod，简称 DSCM）结合内聚力模型（CohesiveZoneMode，简称CZM）数值模拟，由细观结 构出发对CR改性沥青混合料界面裂纹产生机理及裂缝扩展规律等开裂特性进行分 析研究。对原样以及经长期温度老化、水溶液冻融循环和盐溶液冻融循环后的预切口CR改性沥青混合料进行半圆试件弯拉试验（Semi-CircularBending简称SCB），结合 DSCM对加载过程中试件的变形场进行分析，利用Vic-3D图像处理软件对加载过 程采集的散斑图像进行处理，得到试件表面裂缝随着荷载变化的位移场和应变场及 其演化过程。针对沥青混合料（由集料、沥青胶浆以及界面组成）复杂表面特征，采用数字 图像技术进行处理。利用CCD摄像机对半圆试件表面信息进行采集；通过Image-Pro Plus-6（IPP6）图像处理软件对试件进行灰度处理、灰度直方图调整、图像增强、滤 波、去噪、图像锐化以及图像边缘提取等操作；利用R2V对处理图像进行矢量化， 从而实现对沥青混合料沥青砂浆与集料的分离与提取；结合有限元分析软件 ABAQUS完成半圆试件的二维重构。对于集料与沥青砂浆接触界面的细观特性，建立CR改性沥青混合料界面细观 CZM模型，通过SCB试验获取CZM 模型断裂参数，单轴压缩蠕变试验获取沥青砂 浆的粘弹性参数。对预切口CR改性沥青混合料半圆试件CZM 模型进行数值模拟， 将数值模拟得到的试件裂缝扩展路径、水平位移场、竖向位移场以及应变场等与 DSCM试验结果对比分析，验证CZM模型模拟结果的可靠性。通过CZM模型对沥 青混合料界面开裂影响因素进行研究；通过对沥青混合料不同裂缝应力强度因子进 行计算，对裂缝扩展影响因素进行研究；依据裂缝影响因素设计并完成对预切口沥 青混合料半圆试件裂缝扩展路径的预测。III结合DSCM与CZM 模型，从细观结构出发对CR改性沥青混合料界面裂纹产生与扩展特性进行研究。通过水平应变与水平应力对沥青混合料开裂过程中不同组 成相的变形特性以及裂缝演变过程进行分析；通过水平位移变化速率与水平应变对 沥青混合料开裂受外界环境因素的影响规律进行分析；分析了裂缝扩展过程中扩展 速率的影响因素；对无预切口沥青混合料半圆试件进行有限元内聚力模型数值模拟， 并对模拟结果进行可行性分析。关键词：CR 改性沥青混合料；界面；细观结构；裂缝扩展；DSCM；CZM；ABSTRACTInordertoadapttothemodeofmoderntransportationdevelopmentforecologicaldesignandimproveroadperformance,crumbrubber(CR)modifiedasphaltmixtures widelyusedinhighgraderoadconstruction.WiththegrowthofthepavementservicetimeforCRmodifiedasphaltmixtures,itineluctablyappearsvariousdamages.Among them,earlycrackingofpavementisoneofthemainformofroaddamage,thecrack formationisseriouslyinfluenceusepavementperformanceandservicelife.Soitis importanttostudythecrackmechanism andcrackpropagationlaw.Becauseofasphaltmixturesisakindofpolyphaseandcompoundmaterial,andithasanisotropyadhesionproperty.Conventionalmacroscopictestwhichbasedon dimensi