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文献速读 J. Traffic Transp. Eng. (Engl. Ed.) ：基于随机多边形骨料模型的水泥稳定基层材料细观开裂数值模拟  题目 题目：Numerical simulation of mesoscopic cracking of cement-treated base material based on random polygon aggregate model 基于随机多边形骨料模型的水泥稳定基层材料细观开裂数值模拟 关键词 水泥稳定基层；随机骨料；细观结构；敏感性分析；有限元法 来源 出版年份：2023年 来源：Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition) 课题组：东南大学交通学院董侨课题组 研究背景 水泥稳定基层（CTB）在中国已广泛用于半刚性基层。然而，许多道路基层在长期使用过程中出现疲劳破坏。为实现半刚性基层结构的长期保存，有必要研究CTB损伤开裂行为。目前对CTB开裂行为的研究主要基于宏观性能试验，且大多数理论假设材料宏观均质，较少考虑异质特征。然而，CTB是一种多相材料，其由骨料、水泥砂浆、界面过渡区（ITZ）和气孔组成。CTB的宏观力学行为由其细观结构决定，而宏观裂缝由其细观尺度上损伤累积和裂缝扩展导致。因此，为了解CTB裂缝产生及其扩展背后的机制，研究人员已逐步开展细观断裂研究。 随着模拟技术快速发展，数值模拟已成为揭示细观尺度下材料开裂行为的重要方法。其中，有限元法（FEM）、离散元法（DEM）和边界元法（BEM）近年来已广泛用于模拟细观裂缝。其中，FEM可使用内聚单元以模拟其与实体单元间的不连续性；DEM可定义颗粒间的接触以模拟不连续性；BEM可以离散化部分或整个区域，以解决某些非线性问题（如塑性和蠕变）。由于其良好的灵活性和适用性，FEM已成功应用于非均质材料、各向异性材料和复杂边界条件等应力分析问题。在FEM中，生成细观尺度模型有两种方法：数字图像处理（DIP）和参数化建模。其中，DIP法可较好地再现骨料的真实轮廓和形貌，但扫描精度要求高，建模耗时且后期网格划分困难。参数化建模可分为随机材料场建模法和随机骨料建模法。随机材料场建模法通常将几何模型划分为相同大小的网格或单元，考虑到多相材料的非均质性，该方法将材料属性按照一定的规律（大多基于威布尔分布）分配给划分的单元（即空间变化的随机场）；随机骨料建模方法根据材料特征参数，使用随机函数生成具有一定形状、级配和随机位置的几何模型，可用于表征材料的细观结构特征。 在随机骨料生成方面，常将骨料视作圆形或凸多边形，并通过计算机算法随机生成骨料位置；在随机骨料的建模方法中，确定骨料尺寸和控制骨料最小间距是亟需解决的问题。目前一般采用外接圆直径表示骨料颗粒大小。然而，实际骨料粒径与外接圆直径相差较大。多数研究利用两个骨料质心之间距离和外接圆半径来控制其最小距离。然而，采用这种方式的骨料投放效率通常较低（一般低于50%）。 研究出发点 迄今为止，关于CTB材料细观模型的研究较少。此外，当前亟需提出确定骨料尺寸和控制骨料最小间距的新方法。 研究内容 本文旨在研究CTB材料的细观结构对其抗裂性能的影响，为此建立了CTB随机骨料的细观开裂模型。具体而言，采用FEM方法构建了一个包括骨料、砂浆、ITZ和气孔的细观CTB模型；在水泥砂浆和ITZ中插入具有牵引-分离定律的零厚度内聚单元以模拟CTB的潜在裂缝；基于所提出的细观模型，进行了虚拟半圆弯曲试验（SCB），并采用敏感性分析进一步研究了影响CTB开裂行为的因素。  图1 多边形骨料生成示意  图2 多边形骨料的生成方法：（a）多边形骨料尺寸的测量方法；（b）骨料间最小距离的控制方法  图3 二维数值样品（骨料含量=65%，孔隙率=2%）  图4 内聚区域模型（CZM）的双线性本构模型：（a）正常分量；（b）切线分量  图5 细观尺度裂缝模型的细观尺度参数：（a）骨料；（b）水泥砂浆；（c）界面过渡区（ITZ）；（d）水泥砂浆中的胶凝材料  图6 虚拟骨料级配结果：（a）虚拟灰度曲线；（b）骨料体积含量  图7 模拟与实验室测试对比：（a）模拟；（b）实验室测试；（c）荷载-位移曲线  图8 不同骨料含量的数值样品：（a）骨料比例=50%；（b）骨料比例=60%  图9 不同骨料比例下的峰值荷载和峰值荷载能量：（a）峰值荷载；（b）峰值荷载能量  图10 不同骨料级配下的峰值荷载和峰值荷载能量：（a）峰值荷载；（b）峰值荷载能量 图11 不同最大粒径的数值样品：（a）dmax=31.5 mm；（b）dmax=19 mm；（c）dmax=9.5 mm；（d）dmax=4.75 mm 图12 不同骨料最大粒径下的峰值荷载和峰值荷载能量：（a）峰值荷载；（b）峰值荷载能量 图13 不同孔隙率的数值样品：（a）孔隙率=1.0%；（b）孔隙率=3.0% 图14 不同骨料孔隙率下的峰值荷载和峰值荷载能量：（a）峰值荷载；（b）峰值荷载能量 图15 不同孔隙率下的裂缝扩展路径：（a）孔隙率=2.5%；（b）孔隙率=3.0%。 图16 具有不同ITZ特性的裂缝扩展路径：（a）粘结强度T=0.2 GPa；（b）粘结强度T=0.2 GPa；（c）断裂能G=1.23 N/m；（d）断裂能G=2.47 N/m 图17 峰值荷载和峰值荷载能量与ITZ粘结强度关系：（a）峰值荷载；（b）峰值荷载能量 图18 峰值荷载和峰值荷载能量与ITZ断裂能关系：（a）峰值荷载；（b）峰值荷载能量 总结 本文通过建立基于随机多边形骨料的2D有限元细观模型，研究了水泥稳定基层（CTB）材料的细观结构对其抗裂性能影响。主要结论如下： （1）所建立的细观有限元模型在裂缝形貌和荷载-位移曲线对比方面取得了令人满意的结果。 （2）本文提出一种随机骨料建模方法以模拟CTB细观开裂行为，在此基础上提出一种最小矩形面积法以计算多边形骨料粒径。该方法比平均半径法更接近筛分分析结果。此外，还提出一种缓冲区法以确定随机生成的多边形骨料间的最小距离。模拟结果与实验结果吻合良好。该模型能更好地描述CTB细观随机开裂行为，并且在模拟CTB断裂时具有较高的可靠性和准确性。 （3）较高的骨料体积分数、较细的级配和较大的最大粒径将导致CTB的ITZ增大，从而降低其抗裂性能。ITZ通过界面粘接强度显著影响材料的整体力学性能。因此，提高CTB密实度并减少其空隙率，可减少其应力集中并提高其抗裂性。 本文的研究成果可为CTB材料的抗裂设计提供指导。 |
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