細觀尺度下鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青混凝土斷裂行為研究.pdf

1、裂縫是鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝的主要病害形式，若得不到有效防治，裂縫會迅速擴張，影響鋼橋面鋪裝的使用性能與壽命，造成不利的社會與經濟影響?？紤]到環(huán)氧瀝青混凝土是一種多相復合材料，其裂縫行為既與集料、瀝青膠漿和空隙的體積含量、力學性質和形態(tài)特征有關，又受到這些因素的空間分布影響。而傳統(tǒng)的經驗與試驗相結合的研究方法無法體現(xiàn)這些因素對混合料整體宏觀性能的影響，且費時費力，重復和再現(xiàn)性較差。在此背景下，本文依托國家自然科學基金項目“細觀尺度下鋼

2、橋面用環(huán)氧瀝青混凝土裂紋形成與擴展機理研究”(51178114)，在微細觀尺度下對鋼橋面用環(huán)氧瀝青混凝土的斷裂行為進行了研究，提出了包含集料不規(guī)則形狀和空間分布特征的環(huán)氧瀝青混合料虛擬試件的隨機生成算法，采用離散元方法并植入內聚力軟化接觸模型實施了單邊切口小梁虛擬斷裂試驗，一定程度上揭示了環(huán)氧瀝青混凝土的每一組成成分在整體材料性能中所起到的物理機制，研究成果有助于完善環(huán)氧瀝青混凝土抗裂設計并為施工控制提供理論指導。
　　首先，引入

3、逆向體視學的概念，建立了二維截面上各檔集料的數(shù)量比例與真實三維級配之間的轉換關系;將粗集料顆粒的形態(tài)特征抽象為二維凸多邊形和三維不規(guī)則多面體，提出了單個集料的隨機延拓和隨機切割生成算法;在此基礎上，結合區(qū)域內多個集料的隨機投放技術，實現(xiàn)了環(huán)氧瀝青混合料非均質（集料、砂漿和空隙）多層次（礦料級配）結構虛擬試件的隨機構建方法，有效緩解制備試件樣本對試驗室條件以及人力物力的依賴。
　　其次，通過分析PFC2D/3D中各類微觀接觸本構模型

4、的特點，結合環(huán)氧瀝青混凝土內部各相組成材料的力學特性，在上述建立的混合料虛擬試件中植入了能夠較好描述各相材料之間接觸行為的剛度、滑動和粘結微觀模型;以各相單元之間接觸處的變形和強度微觀參數(shù)作為橋梁，建立了材料微觀力學特性與材料宏觀特性之間的轉換關系，提出了針對性的宏觀物理試驗，為虛擬試驗流程中材料參數(shù)環(huán)節(jié)的實現(xiàn)提供了方法。
　　再次，在生成虛擬試件和確定材料微觀特性的基礎上，建立了環(huán)氧瀝青混合料二維和三維單邊切口小梁虛擬斷裂試驗方

5、法;提出了自定義計算時步的優(yōu)化方法，大幅減小了非均質離散元模型的運算時間;通過對比分析室內試驗結果，驗證了隨機模型虛擬試驗結果的正確性和穩(wěn)定性;基于室內數(shù)字攝影法采集的試件表面破壞圖示，結合虛擬試驗中采用的微觀裂紋監(jiān)控方法，在二維尺度下探索了環(huán)氧瀝青混凝土的部分斷裂機理;在三維尺度下分析了模型內部各相材料單元間接觸力的分布和變化規(guī)律，追蹤并演示了微觀裂紋的衍生發(fā)展全過程，在虛擬試驗條件下定義了環(huán)氧瀝青混凝土破壞過程的三個階段;分析了虛擬

6、斷裂過程中裂縫尖端張開口位移（δ25）與裂縫嘴張開口位移（CMOD）之間的變化關系，計算了環(huán)氧瀝青混凝土的雙K斷裂參數(shù)，并將δ25-CMOD曲線上兩個轉折點分別與雙K斷裂理論的起裂點與失穩(wěn)擴展點建立了聯(lián)系。研究成果為探索環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝的裂縫起裂、擴展狀態(tài)提供了一種新方法。
　　最后，利用已建立的虛擬斷裂試驗方法，揭示了集料與環(huán)氧瀝青砂漿微觀力學特性的規(guī)律性變化和空間分布的變異性、空隙細觀結構（整體空隙率、單個空隙大小和空間分布