基于扩展有限元法的沥青混合料开裂特性研究

摘要

沥青混合料是一种准脆性材料,其断裂行为具有温度和加载速率依赖性。材料开裂过程中的软化行为与集料的互锁、滑移有关,同时沥青胶浆表现出粘聚性和粘弹性性能。为了研究沥青混合料断裂过程区(Fractureprocesszone,FPZ)的开裂软化和粘弹性影响,本文提出了一种改进的内聚力模型(Improvedcohesivemodel)。利用沥青混合料高温蠕变试验确定了沥青混合料松弛模量主曲线,获得了沥青混合料的粘弹特性参数。介绍了断裂能的测定方法,并利用三点弯曲梁试验(Single-edgenotchedbeam,SEB)试件对不同温度下的断裂能进行测定,最后对断裂能的变化进行分析。基于扩展有限元法(Extendfiniteelementmethod,XFEM)和改进的内聚力模型利用ABAQUS有限元软件对沥青混合料圆盘拉伸试验(Disk-shapedcompacttension,DCT)进行模拟,重点分析了基体材料粘弹性(松弛模量)和断裂参数(断裂能)的影响,利用数值分析结果与Wagoner试验结果进行对比,发现改进的CZM本构能够很好的模拟裂纹扩展,同时也表明扩展有限元法在裂纹模拟过程中克服了常规有限元法的缺点,避免常规有限元法在分析裂纹开裂问题时的繁琐前处理,展现扩展有限元法的独特优势。分别考虑基体材料的弹性和粘弹性,对SEB试验进行模拟,发现基体材料分别看作弹性、粘弹性得到的数值结果均与试验结果吻合较好,并且在-10℃时,沥青混凝土的粘弹性影响非常小。对混合模式的SEB试件进行模拟,预测了裂纹扩展路径,与实测结果吻合较好。