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1、瀝青混合料細觀力學(xué)探究淺談 摘要：瀝青混合料是一種典型的非均質(zhì)復(fù)合材料，主要由集料、膠漿和孔隙組成，其內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)在很大程度上控制了它們的宏觀力學(xué)行為。本文首先討論了復(fù)合材料細觀力學(xué)的相關(guān)知識；然后介紹了瀝青混合料細觀力學(xué)的相關(guān)知識，并簡要分析了瀝青混合料界面局部細觀損傷對彈性性能的影響。關(guān)鍵詞：瀝青混合料，細觀力學(xué)，數(shù)值模擬，損傷力學(xué)中圖分類號：TV431文獻標識碼：A文章編號：0引言8復(fù)合材料力學(xué)研究具有宏細觀兩個層次。傳統(tǒng)的宏觀力學(xué)方法從唯象學(xué)的觀點出發(fā)，將復(fù)合材料當作宏觀均勻介質(zhì)，視增強相和基體為
2、一體，不考慮組分相的相互影響，僅考慮復(fù)合材料的平均表現(xiàn)性能。宏觀力學(xué)分析方法忽略了復(fù)合材料的細觀結(jié)構(gòu)特點，沒有考慮復(fù)合材料的細觀破壞形態(tài)，因此，難以反映深層次的物理機制。而細觀力學(xué)的核心任務(wù)是建立復(fù)合材料宏觀性能與其組分性能及其細觀結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，揭示材料及結(jié)構(gòu)在一定工況下的響應(yīng)規(guī)律及其本質(zhì)。細觀力學(xué)在復(fù)合材料宏觀彈性性能預(yù)測、彈塑性變形、損傷破壞分析等方面具有宏觀力學(xué)無可比擬的優(yōu)勢。因此，越來越多的研究者投身于復(fù)合材料細觀力學(xué)的研究。瀝青混合料作為道路工程界的一種重要復(fù)合材料，其細觀力學(xué)的研究自然廣受
3、業(yè)內(nèi)研究工作者的重視。1瀝青混合料的細觀力學(xué)研究瀝青混合料是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)、多相（氣相、液相、固相）和多層次（微觀、細觀、宏觀）的復(fù)合材料體系，其宏觀行為所表現(xiàn)出的不規(guī)則性、不確定性、模糊性、非線性等特征，正是其細觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的反映。細觀力學(xué)認為，通過電鏡觀察到一個畫面或用其它方法確定一個典型的細觀單元，比如通過力學(xué)模型對所有組成整體的各單元的性質(zhì)作統(tǒng)計分析后得到，或通過力學(xué)試驗直接測量得到。如果一個細觀單元總的幾何特性，如增強體的體分比、增強體分布的概率統(tǒng)計值(一次矩陣、二次矩陣)都為常數(shù)，且與細觀
4、單元的位置無關(guān)，則稱為一個代表體元。通過代表體元的均勻邊界條件所形成的統(tǒng)計均勻場的分析，得到代表體元的平均應(yīng)力和應(yīng)變特性。由于代表體元的普遍性，故可推求得瀝青混合料的宏觀應(yīng)變和應(yīng)力，從而推求出瀝青混合料的宏觀性能。1.1瀝青混合料細觀力學(xué)研究的主要內(nèi)容目前，瀝青混合料細觀力學(xué)研究的主要內(nèi)容包括：1）瀝青混合料體積特征的研究8瀝青混合料體積特征的研究首先是對粗集料的形態(tài)特征分析，比如粗集料的周長、直徑、針狀質(zhì)量分數(shù)和長軸取向等；然后是瀝青混合料的組成特性研究，如瀝青混合料的空隙率、級配組成狀況和離析狀況等。對
5、瀝青混合料組成特性的研究，可以更為方便、直觀地了解瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間分布、初始損傷，同時也使原先的定性觀察研究轉(zhuǎn)為定量計算研究，其研究成果能更好的指導(dǎo)工程實踐。但是，瀝青混合料體積特征的研究亦存在以下局限性：目前的混合料內(nèi)部細觀研究多是二維識別與分析。因為不能完全考慮集料、膠漿及空隙的三維體積特征，所以在考慮某個單元體時，具有一定的隨機性與變異性；由于檢測設(shè)備、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的軟硬件的限制，瀝青混合料細觀結(jié)構(gòu)研究仍處于理論研究階段；研究瀝青混合料的級配特征時，集料的二維面積級配與三維體積級配間存在差異。
6、2）瀝青混合料試件動態(tài)加載時的內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究在靜態(tài)研究瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)、尺寸和分布等體積特征的基礎(chǔ)上，對瀝青混合料試件在動態(tài)加載時內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化做定量研究。臺灣國立成功大學(xué)黃隆升[1]運用數(shù)字圖像技術(shù)對不同類型瀝青混合料的粗集料在高溫碾壓狀態(tài)下的行為軌跡進行了定量分析，分析不同級配類型對高溫抗車轍能力的影響效應(yīng)。華南理工大學(xué)李曉軍[2]利用CT技術(shù)對SGC成型的瀝青混合料試件在動態(tài)加載狀態(tài)下的內(nèi)部損傷行為進行了實時測量，結(jié)果令人滿意。HartmanA8M[3]等運用數(shù)字圖像技術(shù)，分析瀝青混合料小梁四分點
7、試驗的疲勞性能，通過圖像采集系統(tǒng)，研究實時加載過程中小梁的變形及破壞特征，并采用了數(shù)字圖像與內(nèi)置位移傳感器相結(jié)合的對比分析方法，二者結(jié)果吻合度較高。1.2瀝青混合料細觀力學(xué)研究的實現(xiàn)手段目前，研究人員主要采用以下兩種方法來獲取瀝青混合料的細觀結(jié)構(gòu)信息[4]．1）X-rayCT無損傷掃描利用CT技術(shù)對瀝青混合料試件內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)進行掃描研究的特點主要是：成像精度較高，在研究瀝青混合料時間內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)時，宜采用工業(yè)CT。比如俄羅斯生產(chǎn)的BT500型工業(yè)CT機，其最大工作電壓為450kV，檢測的幾何靈敏度可達到0.
8、05mm，成像的圖片為100×像素；在檢測中，不會破壞樣品的整體性，同時可多次對試件的不同層面（包括橫向與縱向）重復(fù)掃描。2）CCD數(shù)碼相機拍照采用數(shù)碼相機拍照技術(shù)對瀝青混合料結(jié)構(gòu)進行識別與分析時，主要是利用各種材料具有不同的色彩來區(qū)分。從瀝青混合料色彩來看，集料呈現(xiàn)為灰色或者白色，瀝青膠漿接近黑色，而空隙通常為深黑色。8在數(shù)碼拍照前，需要將瀝青混合料時間按指定位置切開，獲取其內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)信息。通常情況下，集料顆
