论文总字数：38996字

摘 要

传统的研究大多将沥青混凝土路面视为各向同性的均质体，却忽略了空隙、集料以及界面接触等影响因子对沥青混凝土性能敏感性造成的影响，使得理论研究成果与实际实验结果不符合。现如今，利用三维细观结构数值技术对沥青混凝土进行损伤模拟与预测已经成为沥青混合料数值模拟研究热点之一。本文利用 X-ray CT 设备、数字化图像处理技术、纳米压痕仪以及Abaqus软件，建立了与沥青混凝土实际集料形状、力学参数、界面作用关系相符合的三维细观模型。

首先，采用纳米压痕实验得到了试件的硬度、弹性模量等物理力学参数，分析纳米压痕实验所得到的数据，并利用excel、surfer绘制测试区域的模量等值线图，得到了沥青混合料的界面过渡区（ITZ）平均厚度为15um,且ITZ的模量介于沥青砂浆与集料之间，并且其模量、硬度更加靠近集料。

其次，将纳米压痕得到并经过处理的模量数据应用到已经预先构建好的细观的三维数值模型中，通过选取不同集料颗粒进行数值模拟，横向分析同种集料较大应力和较小应力产生的位置，纵向比较不同集料表面最大主用力，得出了沥青混合料应力集中容易发生在集料颗粒表面突变处，棱角性较好的集料产生的最大主应力明显偏小，并且预测了混合料界面损伤的发展，这将为优化微观结构材料的设计以提高沥青混凝土的路用性能提供了一定的理论依据。

关键词：界面过渡区；纳米压痕；有限元；数值模型

Abstract

Traditional research mostly regards asphalt concrete as a simple homogenizer, but ignores the influence of aggregate particles and pores on the performance sensitivity of asphalt concrete, which causes theoretical research and actual conditions to be inconsistent. Nowadays, using the numerical technology of three-dimensional mesostructure to simulate and forecast the damage of asphalt concrete has become one of the hot topics in numerical simulation of asphalt mixture. In this paper, using the X-ray CT equipment, digital image processing technology, nano indentation instrument and Abaqus software, a three-dimensional meso-scale model was established that was consistent with the actual aggregate distribution and shape, pore distribution, mechanical parameters, and interface interaction of asphalt concrete.

First, the physical and mechanical parameters such as hardness and elastic modulus of the specimen were obtained through nanoindentation experiments. The data obtained from the nanoindentation experiment was analyzed, and the contour contour map of the test area was drawn using Excel and Surfer. The average thickness of the interface transition zone (ITZ) of the asphalt mixture is 15 μm, and the modulus of the ITZ is between the asphalt mortar and the aggregate, and its modulus and hardness are closer to the aggregate.

Next, the modulus data obtained from the nanoindentation and processed are input into a pre-constructed mesoscopic three-dimensional numerical model to obtain a microscopic heterogeneous numerical model. The numerical simulations are used to calculate and predict the macroscopic elastic modulus of asphalt mixtures. This will provide a theoretical basis for optimizing the design of micro-structured materials to improve the road performance of asphalt concrete.

KEY WORDS: Interfacial transition zone，Nanoindentation，Finite element，Numerical mode

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 研究背景及意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 沥青混凝土粘弹性材料本构关系研究概况 2

1.2.2 基于数字图像处理技术的沥青混凝土细观结构研究概况 3

1.2.3 沥青混凝土细观模型力学性能数值模拟 3

1.3 细观研究方式比较 4

1.4 主要的研究内容及方案 4

1.4.1 研究内容 4

1.4.2 拟解决的关键问题及难点 5

第二章 纳米压痕实验 6

2.1 原材料 6

2.2 车辙板制作 7

2.3 纳米压痕试件的制备 8

2.4 纳米压痕测试 9

第三章 纳米压痕实验数据分析 12

3.1 沥青砂浆-集料界面过渡区过渡区（ITZ） 12

3.2 纳米压痕实验结果 14

3.3 数据分析以及结论 16

3.4 小结 18

第四章 有限元分析 19

4.1 沥青-砂浆界面力学行为模拟 22

4.1.1 分析模型 22

4.1.2 数值模型 22

4.1.3 粘结界面内聚力模型 22

4.2 有限元模拟过 23

4.3 数值模拟结果及分析 25

4.3.1 集料颗粒的力学状况 25

4.3.2 集料对沥青砂浆应变影响 26

4.3.3 集料-砂浆界面损伤情况 27

4.4 小结 29

第五章 结论与展望 30

5.1 本文主要研究结论 30

5.2 本文存在的缺点 30

5.3 展望 30

参考文献 33

绪论

研究背景及意义

沥青混凝土路面结构安全性能的研究方法包含了实验以及数值模拟，采用试验研究混凝土材料力学行为时，不仅要投入大量的劳力而且所得到的试验成果常受到试验环境以及材料复杂特性的影响；而采用数值模拟技术研究时，操作简单，对环境、设备等要求较低，数据较为集中且易于从中找到规律。但是目前国内外利用数值模拟技术对沥青混凝土路面结构安全性能进行研究、评估时，主要是通过宏观尺度下研究或是平面微观模型模拟，却很少涉及三维微观结构模型方面的研究，因此并不能准确地反映沥青混凝土路面实际损伤、破坏情况下，各细观结构对其整体结构安全性能的影响。宏观尺度下的模型主要是将沥青混凝土这种多相介质材料视为各向同性的均匀体进行研究，却忽略了实际路面结构内部的各项微观因子，如集料分布与形状、孔隙分布、路表面纹理构造、沥青砂浆材料等对沥青混凝土路面结构性能的影响。平面微观模型虽然能够建立沥青混凝土路面内部结构的各项细观特征，但却仅考虑了路面结构平面尺度下的力学响应与变形状态，无法准确地描述沥青混凝土路面在实际车辆重复荷载作用下所表现出的强度、耐久性等性能的衰变特性，因此模型计算结果的准确性及有效性均不能得到有效地保证。目前对沥青混凝土三维微观观结构研究方面，在利用 X-ray CT 设备对沥青混凝土内部结构进行断层扫描数字成像的基础上，已经能够较好地识别出沥青混凝土内部孔隙与集料等细观结构形态，较好的保证了三维数字图像还原真实细观结构的准确性。然而，利用有限元模拟技术对三维路面结构模型进行数值分析，特别是建立有关路面性能的三维微观有限模型及图像处理方面仍然存在着许多不完善的地方。国外已经有部分学者对沥青砂浆的粘弹性本构以及三维数字图像的有限元矢量化与三维细观有限元模型的结合分析做了相应的研究，但在此基础上对其力学响应特征分析及变形性能方面仍未见到有关文献的报道。在利用微观有限元模型研究沥青路面安全性能方面时，也仅仅限于采用平面微观模型对实际路面的抗滑性能进行模拟。

国内外研究现状

现如今，在沥青混凝土路面微观结构的研究领域，国内外已经积累了大量的研究基础。沥青混凝土材料粘弹性本构关系的有效描述是进行数值模型的分析的关键，对该参数的试验测定与数据拟合也发展了众多的技术方法。而在数值模拟方面，则出现了有限元、离散元以及边界元等计算技术，各个方法在假设上和计算本质均有一定的差异，其适用性也存在较大的区别。

沥青混凝土粘弹性材料本构关系研究概况

沥青路面的病害研究主要集中在路用材料与路面结构方面，所采用的研究技术包含实际试验以及计算机数值模拟。计算机数值模拟与试验相比能够更为直观地对路面的各类病害进行分析，形象地描述路面病害发展过程中力学响应与结构的损坏状态变化。然而，准确的数值模拟还需要建立在有效的材料本构关系基础之上，因此确定沥青混凝土路面材料的本构关系是研究道路病害行为的关键内容。

较为经典的模型有Burgers 模型、修正Burgers 模型以及Delf-Xahu模型等。Burgers 模型是由麦克斯韦模型与开尔文模型串联组成，其主要考虑了粘性流动变形，而粘弹性变形是可以逐渐恢复的，可以较好的用来描述沥青混合料的高温蠕变。但Burgers 模型将沥青混合料的永久变形表示为随时间变化的线性函数，没有反映出沥青混合料永久变形的固结效应。修正的 Burgers 模型对 Burgers 模型的第一粘性元件进行非线性修正，使其能够反映出沥青混合料永久变形的“固结效应”。Delf-Xahu由荷兰Delf技术大学提出，长安大学在此基础上引入塑性元件通过室内实验分析及数值拟合计算，提出了表征沥青混合料的弹塑性一体化模型。美国的公路战略研究计划将弹塑性模型和广义麦克斯韦模型并联成组合模型来计算沥青混凝土路面的变形，但利用此模型的所得模拟数值的结果和实验实测数据不一致，需要进行改进。

基于数字图像处理技术的沥青混凝土细观结构研究概况

（1） 沥青混凝土数字化图像技术在病害研究中的应用情况

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