论文摘要
目前，对沥青混合料的研究主要集中于借助基于现象学的经验方法和室内试验，常用的连续介质模型适用于密集颗粒系统的准静态条件下分析和研究系统内部的力学特性，该模型并未考虑系统内各组成介质的尺寸效应。因此，基于连续介质方法和模型在分析由复合材料组成的沥青混合料时无法揭示细观结构与宏观性能之间的关系。然而，细观力学方法采用多尺度力学理论研究非均匀介质，并且沥青混合料在材料组成上属于颗粒物质材料，大量的试验测试和数值模拟发现颗粒物质体系具有对外界荷载的敏感性、非线性响应、自组织行为等精细力学特性，与连续介质理论和宏观表象结果存在本质区别。鉴于上述结果，使得借助细观力学方法和颗粒物质力学，构建沥青混合料的细观模型，并用于研究沥青混合料的细观响应有据可循。本文以沥青混合料的细观特性为主线，分析了荷载作用下集料、混合料结构的力链分布特征分析，构建沥青混合料数字试件进行间接拉伸试验的数值模拟，分析了沥青混合料细观力学特性的影响因素和试件内部的力链分布；挖掘沥青混合料试件内部结构，测定沥青混合料和砂浆的动态指标，为构建沥青混合料的细观模型提供细观粘弹性参数；监测试件内部的应力、应变随时间的变化，追踪加载过程中各相组分内部颗粒间接触力力链、位移场、速度场的分布随时间的演化，阐释集料与砂浆界面处的相互作用，以及内部组成与外部荷载、变形的关系。本文主要研究内容如下：(1)借助针对颗粒物质的光弹性应力试验和压痕试验分别检测集料颗粒间的力链，获取力链的分布规律；(2)基于离散元方法构建集料、混合料的细观模型，通过数值模拟得到相应的力链场和位移场，并构建沥青混合料数字试件，分析伺服加载条件下沥青混合料细观力学特性的影响因素和试件内部的力链演化；(3)以SGC(Superpave旋转压实)成型沥青混合料试件、以静压成型沥青砂浆试件，分别进行简单性能试验(Simple Performance Test，SPT)，测定不同温度、频率沥青混合料和沥青砂浆的动态模量和相位角；(4)切割SGC成型的沥青混合料试件，对获取的截面图像进行图像处理，把二维图像导入离散元软件中生成沥青混合料的数字试件，对试件施加半正弦荷载进行SPT试验的数值模拟，对比分析模拟结果和试验结果动态模量和相位角的差异，追踪试件内部的力链演化，以及各相组分的位移场和速度场随时间的变化。通过对上述内容的研究，可得到如下的结论：(1)光弹性应力试验中，颗粒接触处越亮，接触应力越大。对于竖向加载的规则排列的结构，仅形成力的竖向传递路径，错落排列结构的内部颗粒间存在四个传力点，而在水平方向，两种结构基本不存在接触力的传递；(2)压痕试验中，接触力力链的概率分布先增大后减小，并出现明显的概率峰值，峰值后的力链分布以负指数形式衰减；(3)对于有侧向约束的集料细观结构，力链网络呈左右对称分布，颗粒间仅形成法向接触力，与光弹性应力试验结果一致，上层颗粒Y向位移较大，随着深度的增大位移减小；(4)对于无侧向约束的混合料细观结构，规则排列的结构仅产生压力力链，错落排列的结构中产生的接触力主要为压力，拉力区域比较分散，主要位于结构的中下部，呈不对称分布，上层颗粒位移较大，随着深度的增大位移减小；(5)沥青性质对沥青混合料细观响应的影响方面，粘结刚度比增大，应力峰值和劈裂强度均增大，配位数变化较小，随着粘结强度比的增大，应力峰值、劈裂强度减小，配位数变化较小，粘结强度比对劈裂强度、配位数和微裂缝的影响大于粘结刚度比；(6)集料性质对沥青混合料细观响应的影响方面，摩擦系数越大，峰值应力、劈裂强度越大，配位数减小，产生的微裂缝数增加；(7)加载条件对沥青混合料细观响应的影响方面，加载速率增大，应力峰值、劈裂强度增大，配位数减小，颗粒间的接触力变大，接触力力链网络中的强力链传递较大的应力，延伸方向平行于与最大主应力方向，位移主要沿加载方向向两侧移动；(8)随着油石比的增加，沥青混合料、沥青砂浆的动态模量减小，相位角增大，随着温度的升高，动态模量减小，相位角增大；(9)动态模量和相位角的实测值和模拟值相差不大；(10)集料内部的力链表现为压力力链，砂浆和集料/砂浆界面处的力链包含压力和拉力力链，且以压力为主，其中强力链均为压力力链，方向沿竖直方向，弱力链为较小的压力力链和拉力力链，方向分散性较大；(11)随着加载时间的增加，集料和砂浆的最大位移逐渐增大，但两者差异较小，砂浆的位移稍大于集料，位移由上至下逐渐减小，加载初始阶段，集料和砂浆的速度均较大，随着时间的延长，速度逐渐增大，但砂浆的速度变化小于集料。