本發(fā)明涉及土木工程，尤其涉及一種非均質(zhì)瀝青混合料裂縫擴(kuò)展行為模擬方法。

背景技術(shù)：

1、非均質(zhì)瀝青混合料的裂縫擴(kuò)展行為是道路工程領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，瀝青路面作為道路的主要形式之一，其開裂問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響路面的使用壽命和行車安全。非均質(zhì)瀝青混合料由粗集料、瀝青砂漿和空隙等多種成分組成，其裂縫的產(chǎn)生通常源于結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)微觀特征的變化。

2、公開號(hào)為cn115060749b的一種考慮膠結(jié)料隨機(jī)非均勻性的瀝青混合料開裂行為模擬方法，包括以下步驟；步驟一：瀝青混合料試件制備：步驟二：試件ct掃描：步驟三：獲取瀝青混合料細(xì)觀特征；步驟四：提取不同膠結(jié)料厚度；步驟五：將不同厚度膠結(jié)料和集料導(dǎo)入有限元軟件；步驟六：獲取不同厚度膠結(jié)料的模型參數(shù)；步驟七：確定瀝青混合料其他模型參數(shù)；步驟八：批量分區(qū)域插入內(nèi)聚力單元；步驟九：模型分析，通過(guò)考慮膠結(jié)料分布的隨機(jī)非均勻性，并根據(jù)不同膠結(jié)料厚度的失效模式確定的粘附czm、粘聚czm、粘附-粘聚czm并插入cohesive單元，再將不同厚度的膠結(jié)料czm參數(shù)賦予相應(yīng)的粘附czm、粘聚czm以及粘附-粘聚czm，模擬瀝青混合料的開裂行為。

3、瀝青混合料是一種由粗集料、瀝青砂漿和空隙組成的非均質(zhì)材料，其裂縫的產(chǎn)生通常源于結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)微觀特征的變化，現(xiàn)有傳統(tǒng)的力學(xué)性能試驗(yàn)無(wú)法有效捕捉瀝青混合料裂縫的形成過(guò)程，并且缺乏內(nèi)部細(xì)觀和微觀機(jī)制的考慮，從而阻礙深入研究瀝青混合料裂縫擴(kuò)展行為及開裂機(jī)理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種非均質(zhì)瀝青混合料裂縫擴(kuò)展行為模擬方法，通過(guò)對(duì)瀝青混合料間接拉伸開裂試驗(yàn)建立有限元模型，可以實(shí)現(xiàn)從細(xì)觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部分析界面過(guò)渡區(qū)和空隙率對(duì)瀝青混合料開裂行為的影響。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明提供了一種非均質(zhì)瀝青混合料裂縫擴(kuò)展行為模擬方法，包括以下步驟：

3、s1，采用篩分試驗(yàn)獲取集料的粒徑分布，根據(jù)篩分結(jié)果確定集料級(jí)配；

4、s2，確定瀝青混合料的種類，根據(jù)集料級(jí)配和瀝青混合料種類進(jìn)行試驗(yàn)，獲取最佳瀝青用量，所述瀝青混合料的種類包括瀝青、集料和礦粉；

5、s3，制備瀝青混合料和瀝青砂漿的間接拉伸試驗(yàn)件、瀝青砂漿的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)件和集料-瀝青-集料界面拉伸試驗(yàn)件，對(duì)各試驗(yàn)件分別進(jìn)行對(duì)應(yīng)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試，并獲得相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果；

6、s4，將瀝青混合料的集料級(jí)配的三維級(jí)配轉(zhuǎn)換為二維級(jí)配，根據(jù)二維級(jí)配在二維維度上隨機(jī)生成不規(guī)則集料的瀝青混合料的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件，并進(jìn)行有限元模擬，獲得有限元模擬結(jié)果；

7、s5，將有限元模擬結(jié)果對(duì)比相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證有限元模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確，輸出瀝青混合料間接拉伸試驗(yàn)數(shù)值試件裂縫萌生、裂縫擴(kuò)展和裂縫貫穿的開裂圖像；

8、s6，建立瀝青砂漿-圓形和橢圓形集料界面過(guò)渡區(qū)的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件，并進(jìn)行有限元模擬，輸出三種界面過(guò)渡區(qū)間接拉伸試驗(yàn)有限元試件完全失效時(shí)的裂縫擴(kuò)展軌跡和總裂縫長(zhǎng)度隨有限元場(chǎng)輸出時(shí)間的變化曲線，獲取界面過(guò)渡區(qū)差異對(duì)裂縫擴(kuò)展行為的影響；

9、s7，建立不同空隙率的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件，并進(jìn)行有限元模擬，輸出不同空隙率的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件的荷載位移和能量位移曲線，獲取空隙率變化對(duì)開裂行為的影響。

10、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s1所述的采用篩分試驗(yàn)獲取集料的粒徑分布，根據(jù)篩分結(jié)果確定集料級(jí)配，包括以下子步驟：

11、s11，將集料放入烘箱，干燥至恒重，并根據(jù)集料尺寸選擇篩網(wǎng)的篩孔尺寸；

12、s12，按篩孔大小順序?qū)⒓现糜诤Y網(wǎng)頂端對(duì)集料的粒徑進(jìn)行篩分，篩分結(jié)束后逐一稱量每層篩網(wǎng)的集料重量；

13、s13，計(jì)算通過(guò)各層篩網(wǎng)的集料質(zhì)量占集料總質(zhì)量的百分比，得到累計(jì)篩余百分比和通過(guò)率，確定集料的粒徑分布；

14、s14，根據(jù)篩分結(jié)果將集料劃分為0~2.36mm、2.36mm~4.75mm、4.75~9.5mm和9.5mm~19.5mm四檔；

15、s15，設(shè)定級(jí)配上限和下限值對(duì)合成級(jí)配進(jìn)行控制，并以級(jí)配中值作為參考，采用規(guī)劃求解法求解得到四檔集料的級(jí)配，確定集料級(jí)配。

16、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s2包括以下子步驟：

17、s21，確定瀝青混合料的種類，所述瀝青混合料的種類包括瀝青、集料和礦粉，瀝青選用膠粉改性瀝青，集料選用鋼渣，礦粉選用石灰?guī)r礦粉；

18、s22，預(yù)設(shè)瀝青用量值，按0.3%為間隔左右選擇多個(gè)瀝青用量，成型多個(gè)不同的馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件；

19、s23，對(duì)每個(gè)瀝青用量的馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，測(cè)定空隙率、礦料間隙率、穩(wěn)定度、流值和飽和度參數(shù)；

20、s24，繪制各馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件的體積參數(shù)瀝青用量曲線，根據(jù)參數(shù)曲線獲取最佳瀝青用量；

21、s25，對(duì)瀝青混合料分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，驗(yàn)證瀝青混合料配合比。

22、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s3包括以下子步驟：

23、s31，制備瀝青混合料和瀝青砂漿的間接拉伸試驗(yàn)件，并對(duì)其進(jìn)行間接拉伸試驗(yàn)，獲取間接拉伸試驗(yàn)的荷載位移曲線，其中，試件尺寸為100mm×40mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，間接拉伸試驗(yàn)的加載方式采用位移控制模式，加載速率為50mm/min，試驗(yàn)溫度為20℃，瀝青砂漿包括瀝青、礦粉和細(xì)集料，砂漿制備中所用細(xì)集料的最大粒徑為2.36mm，砂漿的最佳瀝青用量為12.3%；

24、s32，制備瀝青砂漿的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)件，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，獲取其動(dòng)態(tài)模量數(shù)據(jù)，其中，動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)試件尺寸為150mm×100mm的圓柱體試件，試驗(yàn)條件為分別在-10℃、5℃、20℃、35℃和50℃五個(gè)溫度下進(jìn)行，且每個(gè)溫度選取25hz、10hz、5hz、1hz、0.5hz和0.1hz六個(gè)加載頻率；

25、s33，制備集料-瀝青-集料界面拉伸試驗(yàn)件，并對(duì)其進(jìn)行界面拉伸試驗(yàn)，獲取界面拉伸試驗(yàn)的荷載位移曲線，其中，集料-瀝青-集料界面拉伸試驗(yàn)件的集料尺寸為1.5cm×1.5cm×1.5cm的立方體試塊，試件兩端采用膠粘劑與長(zhǎng)方體聚丙烯夾具粘結(jié)，試驗(yàn)加載速率為1mm/min，試驗(yàn)溫度為20℃。

26、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s4包括以下子步驟：

27、s41，將瀝青混合料的集料級(jí)配的三維級(jí)配轉(zhuǎn)換為二維級(jí)配，表達(dá)式為：

28、

29、式中， d max為最大集料粒徑率； d o為集料粒徑； p k為集料占瀝青混合料總體積的百分比； p(d<d0)為粒徑 d的集料小于 d 0的概率；

30、s42，根據(jù)二維級(jí)配在二維維度上隨機(jī)生成不規(guī)則集料的瀝青混合料的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件；

31、s43，在不規(guī)則集料的瀝青混合料的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件中插入零厚度的粘聚力單元，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)不規(guī)則集料的瀝青混合料的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件分配不同的單元類型，所述單元類型包括粗集料實(shí)體單元、瀝青砂漿實(shí)體單元和瀝青砂漿的cohesive單元；

32、所述粗集料實(shí)體單元采用三節(jié)點(diǎn)線性平面應(yīng)力三角形單元，瀝青砂漿實(shí)體單元采用縮減積分的四節(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)力四邊形單元，瀝青砂漿的cohesive單元采用四節(jié)點(diǎn)二維粘結(jié)單元，并采用零厚度界面cohesive單元粘結(jié)瀝青砂漿、瀝青砂漿與粗集料界面處；

33、s44，根據(jù)瀝青砂漿和混合料的間接拉伸試驗(yàn)、瀝青砂漿的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)以及集料-瀝青-集料界面拉伸試驗(yàn)對(duì)不規(guī)則集料的瀝青混合料的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定；

34、s45，通過(guò)納米壓痕試驗(yàn)獲取瀝青砂漿和集料的彈性模量，通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)獲取瀝青砂漿和集料的泊松比，確定瀝青砂漿和集料的彈性模量和泊松比，并根據(jù)間接拉伸試驗(yàn)對(duì)有限元試件設(shè)置對(duì)應(yīng)的邊界條件和施加相應(yīng)荷載，進(jìn)行有限元模擬，獲得有限元模擬結(jié)果。

35、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s42中所述隨機(jī)生成不規(guī)則集料包括以下子步驟：

36、在粒徑分布范圍內(nèi)隨機(jī)選定半徑r，并以r為半徑生成圓形集料；

37、在圓形集料內(nèi)部隨機(jī)選取坐標(biāo)o，以o為原點(diǎn)建立二維坐標(biāo)系；

38、當(dāng)各象限內(nèi)至少具有一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)，在圓形集料邊界選取多個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，將相鄰的坐標(biāo)點(diǎn)連接生成不規(guī)則集料的瀝青混合料的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件。

39、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s44包括以下子步驟：

40、構(gòu)建考慮粘結(jié)軟化的雙線性本構(gòu)模型，計(jì)算瀝青砂漿間接拉伸試驗(yàn)和集料-瀝青-集料界面拉伸試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度和斷裂能，并定義瀝青砂漿、瀝青砂漿與粗集料界面處的零厚度界面cohesive單元參數(shù)，表達(dá)式為：

41、

42、式中， g f為瀝青混合料的斷裂能； w f為斷裂功，即荷載位移曲線所圍面積； a lig為韌帶區(qū)面積； p( u)為荷載， u為位移；

43、抗拉強(qiáng)度由荷載位移曲線的峰值荷載計(jì)算得到；

44、根據(jù)瀝青砂漿的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果，將各個(gè)溫度下的頻率轉(zhuǎn)化為20℃時(shí)相應(yīng)的縮減頻率值，以移位因子進(jìn)行平移得到動(dòng)態(tài)模量主曲線，并結(jié)合玻爾茲曼本構(gòu)關(guān)系計(jì)算得到瀝青砂漿的粘彈性參數(shù)。

45、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s5包括以下子步驟：

46、預(yù)設(shè)誤差范圍閾值，對(duì)比有限元模擬與間接拉伸試驗(yàn)得到的荷載位移曲線結(jié)果，并通過(guò)荷載位移曲線分別計(jì)算有限元試件和試驗(yàn)試件的斷裂能；

47、根據(jù)有限元試件和試驗(yàn)試件的斷裂能，計(jì)算得到誤差值；

48、將誤差值與誤差范圍閾值比較，若誤差值處于誤差范圍閾值內(nèi)，則確定有限元模擬結(jié)果準(zhǔn)確，并輸出瀝青混合料間接拉伸試驗(yàn)數(shù)值試件裂縫萌生、裂縫擴(kuò)展和裂縫貫穿的開裂圖像。

49、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s6包括以下子步驟：

50、s61，根據(jù)二維級(jí)配在二維維度上隨機(jī)生成圓形和橢圓形集料；

51、所述隨機(jī)生成橢圓形集料包括首根據(jù)集料級(jí)配確定橢圓的長(zhǎng)短軸，在預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)點(diǎn)作為橢圓的中心位置，并通過(guò)隨機(jī)旋轉(zhuǎn)角度生成不同朝向的橢圓集料；

52、s62，根據(jù)隨機(jī)生成的圓形和橢圓形集料建立瀝青砂漿-圓形集料和瀝青砂漿-橢圓形集料界面過(guò)渡區(qū)的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件，并進(jìn)行有限元模擬，輸出三種界面過(guò)渡區(qū)間接拉伸試驗(yàn)有限元試件完全失效時(shí)的裂縫擴(kuò)展軌跡和總裂縫長(zhǎng)度隨有限元場(chǎng)輸出時(shí)間的變化曲線；

53、根據(jù)總裂縫長(zhǎng)度隨有限元場(chǎng)輸出時(shí)間的變化曲線，構(gòu)建裂縫長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型，得到獲取界面過(guò)渡區(qū)差異對(duì)瀝青混合料有限元試件裂縫擴(kuò)展行為的影響，表達(dá)式為：

54、

55、式中， y為裂縫長(zhǎng)度； x為場(chǎng)輸出時(shí)間，a、b、c為擬合參數(shù)， k為調(diào)節(jié)系數(shù)， bp為誤差值。

56、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s7包括以下子步驟：

57、s71，根據(jù)二維級(jí)配在二維維度上隨機(jī)生成不規(guī)則集料且空隙率不同的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件，并進(jìn)行有限元模擬，

58、輸出不同空隙率的間接拉伸試驗(yàn)有限元試件的荷載位移曲線和能量位移曲線，獲取空隙率變化對(duì)開裂行為的影響，空隙率的增加加劇瀝青混合料裂縫的形成和擴(kuò)展。

59、本發(fā)明的非均質(zhì)瀝青混合料裂縫擴(kuò)展行為模擬方法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

60、（1）通過(guò)設(shè)置有限元軟件對(duì)瀝青混合料間接拉伸開裂試驗(yàn)建立有限元模型，利用有限元模型可從多個(gè)角度對(duì)瀝青混合料的裂縫萌發(fā)和擴(kuò)展特征進(jìn)行可視化和定量分析，并可以在細(xì)觀尺度上研究界面過(guò)渡區(qū)和空隙率對(duì)瀝青混合料開裂行為的影響，從而更準(zhǔn)確地揭示瀝青混合料的開裂機(jī)理，并為瀝青混合料性能評(píng)估提供有效的數(shù)據(jù)支撐；

61、（2）通過(guò)采用隨機(jī)集料生成算法，在二維維度上隨機(jī)生成不規(guī)則集料的瀝青混合料間接拉伸試驗(yàn)有限元試件，能夠更真實(shí)地模擬實(shí)際道路中瀝青混合料的非均質(zhì)性和集料的隨機(jī)分布特性，從而提高有限元模型的準(zhǔn)確性，并且通過(guò)對(duì)比有限元模擬與間接拉伸試驗(yàn)得到的荷載位移曲線結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性；

62、（3）通過(guò)構(gòu)建的有限元模型，根據(jù)對(duì)比圓形、橢圓形等不同形狀集料界面過(guò)渡區(qū)的裂縫擴(kuò)展軌跡和總裂縫長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化曲線，量化界面過(guò)渡區(qū)特性對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響機(jī)制，根據(jù)模擬不同空隙率下的荷載位移和能量位移曲線，量化空隙率對(duì)瀝青混合料抗開裂性能的影響，可對(duì)不同瀝青混合料進(jìn)行性能評(píng)估。