1、沥青混合料细观力学研究浅析摘 要：沥青混合料是一种典型的非均质复合材料，主要由集料、胶浆和孔隙组成，其内部细观结构在很大程度上控制了它们的宏观力学行为。本文首先讨论了复合材料细观力学的相关知识；然后介绍了沥青混合料细观力学的相关知识，并简要分析了沥青混合料界面局部细观损伤对弹性性能的影响。 关键词：沥青混合料，细观力学，数值模拟，损伤力学 中图分类号：TV431 文献标识码： A 文章编号： 0 引言 复合材料力学研究具有宏细观两个层次。传统的宏观力学方法从唯象学的观点出发，将复合材料当作宏观均匀介质，视增强相和基体为一体，不考虑组分相的相互影响，仅考虑复合材料的平均表现性能。宏观力学分析方法
2、忽略了复合材料的细观结构特点，没有考虑复合材料的细观破坏形态，因此，难以反映深层次的物理机制。而细观力学的核心任务是建立复合材料宏观性能与其组分性能及其细观结构之间的定量关系，揭示材料及结构在一定工况下的响应规律及其本质。细观力学在复合材料宏观弹性性能预测、弹塑性变形、损伤破坏分析等方面具有宏观力学无可比拟的优势。因此，越来越多的研究者投身于复合材料细观力学的研究。沥青混合料作为道路工程界的一种重要复合材料，其细观力学的研究自然广受业内研究工作者的重视。 1 沥青混合料的细观力学研究 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
3、为所表现出的不规则性、不确定性、模糊性、非线性等特征，正是其细观结构复杂性的反映。 细观力学认为，通过电镜观察到一个画面或用其它方法确定一个典型的细观单元，比如通过力学模型对所有组成整体的各单元的性质作统计分析后得到，或通过力学试验直接测量得到。如果一个细观单元总的几何特性，如增强体的体分比、增强体分布的概率统计值(一次矩阵、二次矩阵)都为常数，且与细观单元的位置无关，则称为一个代表体元。通过代表体元的均匀边界条件所形成的统计均匀场的分析，得到代表体元的平均应力和应变特性。由于代表体元的普遍性，故可推求得沥青混合料的宏观应变和应力，从而推求出沥青混合料的宏观性能。 1.1 沥青混合料细观力学研
4、究的主要内容 目前，沥青混合料细观力学研究的主要内容包括： 1）沥青混合料体积特征的研究 沥青混合料体积特征的研究首先是对粗集料的形态特征分析，比如粗集料的周长、直径、针状质量分数和长轴取向等；然后是沥青混合料的组成特性研究，如沥青混合料的空隙率、级配组成状况和离析状况等。对沥青混合料组成特性的研究，可以更为方便、直观地了解沥青混合料内部结构的空间分布、初始损伤，同时也使原先的定性观察研究转为定量计算研究，其研究成果能更好的指导工程实践。但是，沥青混合料体积特征的研究亦存在以下局限性： 目前的混合料内部细观研究多是二维识别与分析。因为不能完全考虑集料、胶浆及空隙的三维体积特征，所以在考虑某个单
5、元体时，具有一定的随机性与变异性；由于检测设备、数据处理系统的软硬件的限制，沥青混合料细观结构研究仍处于理论研究阶段；研究沥青混合料的级配特征时，集料的二维面积级配与三维体积级配间存在差异。 2）沥青混合料试件动态加载时的内部结构研究 在静态研究沥青混合料内部结构形态、尺寸和分布等体积特征的基础上，对沥青混合料试件在动态加载时内部结构的变化做定量研究。台湾国立成功大学黄隆升1运用数字图像技术对不同类型沥青混合料的粗集料在高温碾压状态下的行为轨迹进行了定量分析，分析不同级配类型对高温抗车辙能力的影响效应。华南理工大学李晓军2利用 CT 技术对SGC 成型的沥青混合料试件在动态加载状态下的内部损伤
6、行为进行了实时测量，结果令人满意。 Hartman A M3等运用数字图像技术，分析沥青混合料小梁四分点试验的疲劳性能，通过图像采集系统，研究实时加载过程中小梁的变形及破坏特征，并采用了数字图像与内置位移传感器相结合的对比分析方法，二者结果吻合度较高。 1.2 沥青混合料细观力学研究的实现手段 目前，研究人员主要采用以下两种方法来获取沥青混合料的细观结构信息4 1）X-ray CT 无损伤扫描 利用 CT 技术对沥青混合料试件内部细观结构进行扫描研究的特点主要是：成像精度较高，在研究沥青混合料时间内部细观结构时，宜采用工业 CT。比如俄罗斯生产的 BT500 型工业 CT 机，其最大工作电压为
7、450kV，检测的几何灵敏度可达到 0.05mm，成像的图片为 100像素；在检测中，不会破坏样品的整体性，同时可多次对试件的不同层面（包括横向与纵向）重复扫描。 2）CCD 数码相机拍照 采用数码相机拍照技术对沥青混合料结构进行识别与分析时，主要是利用各种材料具有不同的色彩来区分。从沥青混合料色彩来看，集料呈现为灰色或者白色，沥青胶浆接近黑色，而空隙通常为深黑色。 在数码拍照前，需要将沥青混合料时间按指定位置切开，获取其内部细观结构信息。通常情况下，集料颗粒的边缘在切割时容易发生松散破碎，出现许多松散连接的颗粒群，边缘模糊。宜将沥青混合料试件在零下五摄氏度冷液中冷冻约两小时，然后再进行切割，
8、集料边缘松散状况可得到显著改善。 沥青混合料细观结构的重构是进行细观力学分析的基础。随着数字化技术的发展，又出现了一系列新的细观结构信息收集方式，比如 X 断层扫描、数字扫描、磁共振（或核磁共振） 、视频图像以及数字图像处理技术5等。 2 沥青混合料细观力学的数值模拟方法 随着检测技术的不断发展，越来越多的学者致力于研究沥青混合料内部细观结构与外部宏观力学性能之间的关系。目前，道路沥青混合料内部结构细观力学模拟6的主要方法包括以下三种： 1）离散元法 离散元法是近 30 多年来发展起来的用于解决非连续介质力学的数值方法，其基本特征在于允许单元体发生有限的位移和旋转，在计算过程中能够自动识别各个
9、离散块体的平动、转动，甚至分离和接触的重新生成，弥补了有限元法或边界元法的介质连续和小变形的限制，而且离散元法无须满足位移连续和变形协调的条件，认为大变形行为是各单元作为独立个体运动和变形的宏观显现，因此离散单元法尤其适用于大变形和旋转等非连续介质模型的宏观和细观力学问题的分析，已经较为成功地运用于解决岩石解理、边坡滑落和采矿等方面的研究。离散元法在沥青混合料内部结构性能的模拟中也得到了应用。 2）有限元法 有限元法是应用最早也是应用最广泛的数值计算方法，在沥青混合料细观结构的分析中，Sepehr 较早的采用有限元法模拟沥青混合料的微观结构；Sadi Kose 结合数字图像技术和有限元法计算了
10、混合料中沥青胶质应变的分布：Papagiannakis 利用相应的图形软件分析沥青混合料的数码图像特征后，采用有限元法对混合料直剪试验的应变特性进行数值模拟；Masad E 等也均采用有限元法对沥青混合料内部结构与外部宏观力学性能间的关系进行了数值模拟。目前应用有限元建模方法对沥青混合料的微细观结构进行力学分析，可以精确地建立集料与沥青胶浆的几何微细观结构模型。 3）边界元法 边界元法是近 50 年来发展起来的一种数值方法。Soranakom C 7等采用边界元法对沥青混合料细观结构强度及其变形特征进行二维数值模拟，结果表明：边界元法能够较好的描述沥青混合料内部裂纹的产生、发展及其在混合料内部
11、的分布情况。 3 沥青混合料的细观损伤 沥青混合料材料的细观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，产生弥散裂缝并进一步增长、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。由试验分析得知，细观上沥青混合料的本构关系表现为弹脆性，微裂缝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缝网络变形、错动的结果。因此，可以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（micro plan
12、e model） 、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。 4 结语 沥青混合料是具有复杂结构的非均质的多层次(微观、细观、宏观)复合材料体系，其宏观行为在很大程度上受其复杂的内部细观结构影响。因此，为了真正、全面地分析研究沥青混合料的力学性能，应该从细观角度入手，进行基于细观的沥青混合料力学性能的研究，并且将细观和宏观的方法结合起来。 参考文献： 1黄隆升沥青混凝土巨观车辙及微观轨迹之行为机制分析D台南：成功大学，2003 2李晓军，张肖宁CT 技术在沥青胶结颗粒材料内部结构分析中的应用J公路交通科技，2005，22（2）：14-16 3Hartman A M,
13、Gilehrist M D. Evaluating four-point bend fatigue of asphalt mix using image analysisJ. Journal of Materials in Civil Engineering, 2004, 16(1): 60-68. 4汪海年，郝培文沥青混合料微细观结构的研究进展J长安大学学报（自然科学版） ，2008，28（3）：11-15 5张蕾，王哲人应用数字图像处理技术研究沥青混合料微细观结构方法综述究进展J中外公路，2008，28（3）：168-171 6李芬，沈成武，杨吉新.沥青混凝土材料细观损伤的数值模拟交通科技，2006，第 1 期 7Soranakom C, Birgisson B, Napier J A, et al. Simulation of fracture initiation in hot mix asphalt mixturesC. Transportation Research Record 1849, Washington D C: TRB, 2003: 183-190.
