总第214期 2006年第1期交 通 科 技
TransportationScience&TechnologySerialNo.214No.1Feb.2006
沥青混凝土材料细观损伤的数值模拟
李 芬 沈成武 杨吉新
(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)
3
摘 要 在对沥青路面心样进行轴向压缩疲劳试验时,结合CT扫描技术拍摄了不同疲劳阶段下沥青混凝土的细观结构图像,利用细观力学及断裂力学方法建立了一细观模型,运用有限元程序对试件的宏观裂纹形成这一复杂过程进行了模拟。结果表明,该模型能有效模拟材料的损伤演化过程,在有限的实验研究基础上,运用细观力学方法数值模拟沥青混凝土的力学性能是可行的,以弥补试验的不足。
关键词 沥青混凝土 细观损伤 数值模拟
沥青混合料是具有复杂结构的非均质、多相
(气相、液相、固相)和多层次(微观、细观、宏观)的复合材料体系,其宏观行为所表现的不规则性、不确定性、模糊性、非线性等特征,正是其微观结构复杂性的反映,其内部结构特征与其力学行为和耐久性有着密切的联系。目前沥青混凝土类材料力学性能的研究,大都是建立在试验的研究基础上,需要花费大量的人力、物力,所得到的试验成果又往往囿于试验条件、料本身的复杂性,法,性,结合理论和试验成果,建立数值模型,对沥青混凝土材料的力学性能和破坏过程进行研究,已成为国内外学者研究沥青混凝土材料力学性能的主要研究方法之一[1]。从细观角度出发,沥青混凝土可视为由沥青基质为基相,粗骨料为分散相和孔隙组成的三相复合材料,是一种细观表现为非均质性的多相非金属脆性材料[2]。因此,本文应用CT扫描技术拍摄了不同疲劳阶段下沥青混凝土的细观结构图像,利用细观力学及断裂力学方法建立了一细观模型,运用有限元程序对压缩疲劳试件的破坏全过程进行了数值模拟。1 沥青混凝土材料的细观结构研究
响。采用先进的实验技术,引入损伤、非均匀、不
连续的概念研究其内部结构,并分析其受力破损过程中结构的变化,对混合料的设计、性能评价具有重要意义。CT技术的出现为研究沥青混凝土材料细观破坏机理提供了一种有效方法。上世纪90年代,(SHRP)就CT、有效地定量分析[3]。本文借助室内疲,对沥青混凝土材料细观结构演化进行了基于CT图像分析的细观力学研究,通过对沥青混凝土试件在疲劳试验过程中的细观结构演化图像的处理,建立一细观模型对试件的破坏过程进行模拟。所采用的试件为实际路面钻取的芯样。试样直径为100mm,试样高度为沥青混凝土面层厚度(160～200mm,包括表面层、中面层、底面层)。面层结构从上往下依次为:上面层为4cmsuperpave12.5的抗滑表层,中面层为6cm厚的AC220I型沥青混凝土,下面层为6cm厚的AC220S沥青混凝土。在疲劳试验过程中得到的典型扫描图像见图1
。
近年来研究表明,沥青混凝土的力学行为远比人们认识到的复杂,其性能既受沥青、集料和孔隙的体积含量影响,也受这些因素的空间分布影
3国家自然科学基金项目资助(批准号10372075) 收稿日期:2005210210
a)初始状态 b)破坏状态
图1 沥青混凝土损伤演化的典型CT扫描图像
2006年第1期 李 芬等:沥青混凝土材料细观损伤的数值模拟57
2 沥青混凝土材料细观结构的数值模拟2.1 沥青混凝土材料的细观损伤模型
沥青混凝土材料的损伤是指在外荷载或环境变化的条件下,由于体内细观尺度的微缺陷如微裂纹、微孔洞等在荷载、温度或环境效应等因素持续作用下,产生弥散裂隙并进一步增长、扩展、汇合,形成一定尺度的宏观裂纹,导致结构的强度、刚度下降,以致最终发生破坏。由实验分析得知,细观上沥青混凝土的本构关系表现为弹脆性,细观上微裂隙起裂和扩展表现为张拉形,宏观上的剪切带是已经扩展的细观微裂隙网络变形、错动的结果。因此可采用弹性损伤本构关系来表达细观单元的力学性质。基于细观损伤的本构模型常用的有:美国西北大学Bazant教授于1985年提出的微平面模型(microplanemodel)、二维格构模型、随机粒子模型和基于弹性损伤本构关系的细观结构模型等[1]。其中二维格构模型可作为岩石、混凝土类材料破坏分析的一种有效方法,本文采用此模型进行数值模拟[4]。2.2 细观结构的网格划分及开裂准则
为了便于数值分析,模拟材料细观结构时,将试件离散为一组正规排列的三角形单元(如图2),三角形结构的边长为2mm,中粒径为2mm以上的粗集料,一个细观结构,,定量地描述材料细观层次上的非均质性。沥青混凝土中比三角形大的骨料,可将骨料所在位置的几个相邻单元输入相同的细观物理、力学指标,对于孔隙单元输入相对其他单元很小的力学参数。模型假定材料的细观起裂扩展由局部拉应力决定,当某处最大拉应力等于或超过该处细观结构的强度时,微裂隙起裂扩展。2.3 细观损伤演化数值模拟过程[5]
采用有限元迭代法进行细观损伤演化过程模拟,分析计算分为以下3步。
(1)首先用有限元法求解在外载作用下各单元的细观应力场及位移场。
(2)将所有细观结构的抗拉强度σti与其所承受的主拉应力σ1i进行比较。超过其抗拉强度的单元将从系统中选出作为破坏单元。
(3)当细观单元发生破坏时,将单元的弹模用一个相对其他单元很小的数代替。单元破坏后,荷载将重新分配,再次计算以得出下个破坏单元,不断重复该计算过程,如果所有细观结构的抗
拉强度σti大于其承受的主拉应力σ1i时,则此载荷下的损伤演化已达到稳定。
通过上述计算过程,就可以模拟分析出在外力作用下沥青混凝土材料的细观裂隙扩展过程,进而对沥青混合料的损伤演化过程进行研究。3
数值模拟结果与讨论
3.1 网格划分和计算参数
模型为能充分反映沥青混凝土材料的非均匀性,所使用的生成元形状要尽量与实际材料的骨料形状一致,以实现对实际材料细观结构在空间上的真实模拟。为实现这一过程,根据空隙、沥青基质与骨料面积比和实际分布形态点选单元。试验为轴向压缩疲劳试验,简化为平面应变问题求解,现采用试件右半部(5cm×16cm)来建立数值模型,单元划分边长为2mm的三角形单元,共划分单元数为4616个。网格划分如图2a)。计算参数见表1。
表1
材料骨料沥青基质
计算采用的细观力学参数
弹模/MPa
0007500
密度/g・cm-3
2.5001.035
泊松比ν
0.160.30
3.2贯穿与各物质组
,特别是与粗集料的分布规从图1中可以清楚看到,裂缝集中在试件中部发生且绕过粗集料扩展,大多发生在粗集料与沥青基质的交界面上,特别是两个较大粗集料间距较小的位置,裂纹往往发育得较宽,而试件部分初始空隙未见发展,甚至出现部分空隙体积减小的现象。试件损伤演化的计算模拟结果见图2。在建立的沥青混凝土结构模型中,计算结果表明,最大主应力都集中出现在粗集料与沥青基质的交界面上,虽然沥青基质具有一定的抗拉强度,但它的强度远低于集料的抗拉强度,仍然是沥青混合料结构中受力的薄弱环节,因此裂纹一般都沿着此界面迅速展开而使集料脱落。裂纹的扩展模拟反映其受粗集料空间分布的影响较大,裂纹首先出现在粗大集料的尖角位置,见图2b)中白色部分,而后裂纹的扩展都绕过粗集料发生,未见穿过粗集料的裂纹;随着中间主裂纹的扩宽,在其他两粗集料间距较小的部位逐渐有裂纹形成,见图2c)。比较数值模拟结果,见图2c)与相应的原始CT图像(图3),图中白色显示为裂纹,可以看到两图中宏观裂隙的位置大致吻合,主要裂缝集中在试件中部(即中面层)且沿界面扩展。此外,模拟结果中出现在集料底部的横向裂纹在原图中不明显,但这类裂纹在图1中明显可见,说明该处是比较容易出现裂
58李 芬等:沥青混凝土材料细观损伤的数值模拟 2006年第1期
纹的位置,并且从图3中未观察到裂纹可能与试件
产生较大变形后使扫描位置变动有关。从计算模拟与原图像的比较可见,该模型能较好地模拟试件
损伤演化过程。
a)初始计算模型 b)中间过程 c)模拟结果
图2 数值模拟宏观裂纹的生成过程 图3 破坏原图像
4 结语
参考文献
1 尚 岩,杜成斌1基于细观损伤的混凝土力学性能数
(1)沥青混凝土材料是具有复杂非均匀性的复合材料,为了真正、全面地分析研究沥青混凝土
的力学性能,应从细观角度入手,将细观和宏观的方法结合起来,进行基于细观损伤的沥青混凝土材料的力学性能的研究。
(2)结合CT观结构图像,,,。可进一步应用该模型模拟不同级配条件下的沥青混合料的力学行为。
值模拟研究进展1水利与建筑工程学报,2004,2(1):
23～28
2 徐菁,11
):556～559
沥青混合料破损动态识别研究进展1
(自然科学版)2003(6):11～14
4 杨 强,张 浩,周维恒1基于格构模型的岩石类材
料破坏过程的数值模拟1水利学报,2002(4):46～50
5 徐晓鹏,彭瑞东,谢和平等1基于SEM图像分维估算
的脆性材料细观结构演化方法研究1岩石力学与工程学报,2004,23(21):3600～3603
ResearchonNumericalSimulationofMicro2mechanicsDamageof
AsphaltConcrete
LiFen,ShenChengwu,YangJixin
(SchoolofTransportation,WUT,Wuhan430063,China)
Abstract:Themodelofmicro2mechanicsdamageofasphaltconcreteispresentedbasedonmicro2struc2tureimagesbyusingCT(ComputerizedTomograph)scanninginfatigueexperimentofasphaltcon2crete.TheevolutionofthedamageinasphaltconcreteiscaclulatedwithFEM(FiniteElementMeth2od).Theresultsofnumericalsimulationshowedthatthemodelisvalidandthemethodisworkable.Aneconomicalandfastwayisprovidedbynumericalsimulationforresearchofasphaltconcreteme2chanicsperformance.
Keywords:asphaltconcrete,;micro2mechanicsdamage,;numericalsimulation
总第214期 2006年第1期交 通 科 技
TransportationScience&TechnologySerialNo.214No.1Feb.2006
沥青混凝土材料细观损伤的数值模拟
李 芬 沈成武 杨吉新
(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)
3
摘 要 在对沥青路面心样进行轴向压缩疲劳试验时,结合CT扫描技术拍摄了不同疲劳阶段下沥青混凝土的细观结构图像,利用细观力学及断裂力学方法建立了一细观模型,运用有限元程序对试件的宏观裂纹形成这一复杂过程进行了模拟。结果表明,该模型能有效模拟材料的损伤演化过程,在有限的实验研究基础上,运用细观力学方法数值模拟沥青混凝土的力学性能是可行的,以弥补试验的不足。
关键词 沥青混凝土 细观损伤 数值模拟
沥青混合料是具有复杂结构的非均质、多相
(气相、液相、固相)和多层次(微观、细观、宏观)的复合材料体系,其宏观行为所表现的不规则性、不确定性、模糊性、非线性等特征,正是其微观结构复杂性的反映,其内部结构特征与其力学行为和耐久性有着密切的联系。目前沥青混凝土类材料力学性能的研究,大都是建立在试验的研究基础上,需要花费大量的人力、物力,所得到的试验成果又往往囿于试验条件、料本身的复杂性,法,性,结合理论和试验成果,建立数值模型,对沥青混凝土材料的力学性能和破坏过程进行研究,已成为国内外学者研究沥青混凝土材料力学性能的主要研究方法之一[1]。从细观角度出发,沥青混凝土可视为由沥青基质为基相,粗骨料为分散相和孔隙组成的三相复合材料,是一种细观表现为非均质性的多相非金属脆性材料[2]。因此,本文应用CT扫描技术拍摄了不同疲劳阶段下沥青混凝土的细观结构图像,利用细观力学及断裂力学方法建立了一细观模型,运用有限元程序对压缩疲劳试件的破坏全过程进行了数值模拟。1 沥青混凝土材料的细观结构研究
响。采用先进的实验技术,引入损伤、非均匀、不
连续的概念研究其内部结构,并分析其受力破损过程中结构的变化,对混合料的设计、性能评价具有重要意义。CT技术的出现为研究沥青混凝土材料细观破坏机理提供了一种有效方法。上世纪90年代,(SHRP)就CT、有效地定量分析[3]。本文借助室内疲,对沥青混凝土材料细观结构演化进行了基于CT图像分析的细观力学研究,通过对沥青混凝土试件在疲劳试验过程中的细观结构演化图像的处理,建立一细观模型对试件的破坏过程进行模拟。所采用的试件为实际路面钻取的芯样。试样直径为100mm,试样高度为沥青混凝土面层厚度(160～200mm,包括表面层、中面层、底面层)。面层结构从上往下依次为:上面层为4cmsuperpave12.5的抗滑表层,中面层为6cm厚的AC220I型沥青混凝土,下面层为6cm厚的AC220S沥青混凝土。在疲劳试验过程中得到的典型扫描图像见图1
。
近年来研究表明,沥青混凝土的力学行为远比人们认识到的复杂,其性能既受沥青、集料和孔隙的体积含量影响,也受这些因素的空间分布影
3国家自然科学基金项目资助(批准号10372075) 收稿日期:2005210210
a)初始状态 b)破坏状态
图1 沥青混凝土损伤演化的典型CT扫描图像
2006年第1期 李 芬等:沥青混凝土材料细观损伤的数值模拟57
2 沥青混凝土材料细观结构的数值模拟2.1 沥青混凝土材料的细观损伤模型
沥青混凝土材料的损伤是指在外荷载或环境变化的条件下,由于体内细观尺度的微缺陷如微裂纹、微孔洞等在荷载、温度或环境效应等因素持续作用下,产生弥散裂隙并进一步增长、扩展、汇合,形成一定尺度的宏观裂纹,导致结构的强度、刚度下降,以致最终发生破坏。由实验分析得知,细观上沥青混凝土的本构关系表现为弹脆性,细观上微裂隙起裂和扩展表现为张拉形,宏观上的剪切带是已经扩展的细观微裂隙网络变形、错动的结果。因此可采用弹性损伤本构关系来表达细观单元的力学性质。基于细观损伤的本构模型常用的有:美国西北大学Bazant教授于1985年提出的微平面模型(microplanemodel)、二维格构模型、随机粒子模型和基于弹性损伤本构关系的细观结构模型等[1]。其中二维格构模型可作为岩石、混凝土类材料破坏分析的一种有效方法,本文采用此模型进行数值模拟[4]。2.2 细观结构的网格划分及开裂准则
为了便于数值分析,模拟材料细观结构时,将试件离散为一组正规排列的三角形单元(如图2),三角形结构的边长为2mm,中粒径为2mm以上的粗集料,一个细观结构,,定量地描述材料细观层次上的非均质性。沥青混凝土中比三角形大的骨料,可将骨料所在位置的几个相邻单元输入相同的细观物理、力学指标,对于孔隙单元输入相对其他单元很小的力学参数。模型假定材料的细观起裂扩展由局部拉应力决定,当某处最大拉应力等于或超过该处细观结构的强度时,微裂隙起裂扩展。2.3 细观损伤演化数值模拟过程[5]
采用有限元迭代法进行细观损伤演化过程模拟,分析计算分为以下3步。
(1)首先用有限元法求解在外载作用下各单元的细观应力场及位移场。
(2)将所有细观结构的抗拉强度σti与其所承受的主拉应力σ1i进行比较。超过其抗拉强度的单元将从系统中选出作为破坏单元。
(3)当细观单元发生破坏时,将单元的弹模用一个相对其他单元很小的数代替。单元破坏后,荷载将重新分配,再次计算以得出下个破坏单元,不断重复该计算过程,如果所有细观结构的抗
拉强度σti大于其承受的主拉应力σ1i时,则此载荷下的损伤演化已达到稳定。
通过上述计算过程,就可以模拟分析出在外力作用下沥青混凝土材料的细观裂隙扩展过程,进而对沥青混合料的损伤演化过程进行研究。3
数值模拟结果与讨论
3.1 网格划分和计算参数
模型为能充分反映沥青混凝土材料的非均匀性,所使用的生成元形状要尽量与实际材料的骨料形状一致,以实现对实际材料细观结构在空间上的真实模拟。为实现这一过程,根据空隙、沥青基质与骨料面积比和实际分布形态点选单元。试验为轴向压缩疲劳试验,简化为平面应变问题求解,现采用试件右半部(5cm×16cm)来建立数值模型,单元划分边长为2mm的三角形单元,共划分单元数为4616个。网格划分如图2a)。计算参数见表1。
表1
材料骨料沥青基质
计算采用的细观力学参数
弹模/MPa
0007500
密度/g・cm-3
2.5001.035
泊松比ν
0.160.30
3.2贯穿与各物质组
,特别是与粗集料的分布规从图1中可以清楚看到,裂缝集中在试件中部发生且绕过粗集料扩展,大多发生在粗集料与沥青基质的交界面上,特别是两个较大粗集料间距较小的位置,裂纹往往发育得较宽,而试件部分初始空隙未见发展,甚至出现部分空隙体积减小的现象。试件损伤演化的计算模拟结果见图2。在建立的沥青混凝土结构模型中,计算结果表明,最大主应力都集中出现在粗集料与沥青基质的交界面上,虽然沥青基质具有一定的抗拉强度,但它的强度远低于集料的抗拉强度,仍然是沥青混合料结构中受力的薄弱环节,因此裂纹一般都沿着此界面迅速展开而使集料脱落。裂纹的扩展模拟反映其受粗集料空间分布的影响较大,裂纹首先出现在粗大集料的尖角位置,见图2b)中白色部分,而后裂纹的扩展都绕过粗集料发生,未见穿过粗集料的裂纹;随着中间主裂纹的扩宽,在其他两粗集料间距较小的部位逐渐有裂纹形成,见图2c)。比较数值模拟结果,见图2c)与相应的原始CT图像(图3),图中白色显示为裂纹,可以看到两图中宏观裂隙的位置大致吻合,主要裂缝集中在试件中部(即中面层)且沿界面扩展。此外,模拟结果中出现在集料底部的横向裂纹在原图中不明显,但这类裂纹在图1中明显可见,说明该处是比较容易出现裂
58李 芬等:沥青混凝土材料细观损伤的数值模拟 2006年第1期
纹的位置,并且从图3中未观察到裂纹可能与试件
产生较大变形后使扫描位置变动有关。从计算模拟与原图像的比较可见,该模型能较好地模拟试件
损伤演化过程。
a)初始计算模型 b)中间过程 c)模拟结果
图2 数值模拟宏观裂纹的生成过程 图3 破坏原图像
4 结语
参考文献
1 尚 岩,杜成斌1基于细观损伤的混凝土力学性能数
(1)沥青混凝土材料是具有复杂非均匀性的复合材料,为了真正、全面地分析研究沥青混凝土
的力学性能,应从细观角度入手,将细观和宏观的方法结合起来,进行基于细观损伤的沥青混凝土材料的力学性能的研究。
(2)结合CT观结构图像,,,。可进一步应用该模型模拟不同级配条件下的沥青混合料的力学行为。
值模拟研究进展1水利与建筑工程学报,2004,2(1):
23～28
2 徐菁,11
):556～559
沥青混合料破损动态识别研究进展1
(自然科学版)2003(6):11～14
4 杨 强,张 浩,周维恒1基于格构模型的岩石类材
料破坏过程的数值模拟1水利学报,2002(4):46～50
5 徐晓鹏,彭瑞东,谢和平等1基于SEM图像分维估算
的脆性材料细观结构演化方法研究1岩石力学与工程学报,2004,23(21):3600～3603
ResearchonNumericalSimulationofMicro2mechanicsDamageof
AsphaltConcrete
LiFen,ShenChengwu,YangJixin
(SchoolofTransportation,WUT,Wuhan430063,China)
Abstract:Themodelofmicro2mechanicsdamageofasphaltconcreteispresentedbasedonmicro2struc2tureimagesbyusingCT(ComputerizedTomograph)scanninginfatigueexperimentofasphaltcon2crete.TheevolutionofthedamageinasphaltconcreteiscaclulatedwithFEM(FiniteElementMeth2od).Theresultsofnumericalsimulationshowedthatthemodelisvalidandthemethodisworkable.Aneconomicalandfastwayisprovidedbynumericalsimulationforresearchofasphaltconcreteme2chanicsperformance.
Keywords:asphaltconcrete,;micro2mechanicsdamage,;numericalsimulation