自愈型微胶囊在沥青路面中的力学行为及性能需求研究

摘要

开发自愈合微胶囊材料的想法与灵感，源自于人体内部损坏细胞或组织本身具有自我愈合的自然能力。因此，材料科学家也经常梦想，若材料本身也具有相同的自我愈合能力，将有助于延长材料的寿命、提升材料的可靠度，并降低材料维修成本。在沥青路面的正常服务期内，沥青混凝土内不可避免的要产生微裂纹，这些微裂纹在荷载或温度的作用下进一步扩展成宏观裂纹，严重影响沥青路面的使用寿命。随着微胶囊技术的发展，世界各国研究者已将具有自愈合能力的微胶囊材料应用于沥青路面中，使沥青路面具有裂纹自愈合能力。从目前的研究来看，沥青路面中自愈合微胶囊材料的研究主要集中在微胶囊材料的制备和修复效率等方面，而对于微胶囊在沥青路面中的适用性方面研究尚属空白。
　　满足沥青路面中使用的微胶囊材料应具有以下性能：首先，微胶囊应有足够的强度，在沥青路面中受到荷载作用时，能够保持完好，不能破裂；其次，当沥青产生微裂纹时，微胶囊能够及时破裂，释放出愈合剂，防止裂纹扩展。因此，了解和掌握微胶囊在沥青路面中的受力特性，以及微胶囊在裂纹作用下的破裂行为，并根据沥青路面中微胶囊的性能要求制备出合适的微胶囊材料，是实现自愈型沥青路面最基础、最关键的问题。
　　1、微胶囊在重载作用下的抗裂性能要求
　　本文首先采用数学概率方法和计算机可视化技术，建立了细观尺度下的沥青混合料数字试件，并介绍了离散元软件中常用的接触、粘结模型，针对沥青混合料的材料组成，选择了适合沥青混合料各相材料的离散元模型，根据沥青混合料宏观和离散元细观参数之间的关系，通过混合料性能试验，确定了细观条件下离散元输入参数。
　　其次，本文建立了沥青路面结构离散元模型，并以此为基础，结合之前建立的沥青混合料数字试件，创建了宏-细观尺度下的沥青路面结构离散元模型。之后，分析了重载作用下沥青路面各结构层的力学响应，并与Bisar软件的路面响应分析相对比，验证了本文模型与参数的正确性；此外，研究了重载作用下沥青路面细观尺度下沥青砂浆内部之间的受力行为，在1.43MPa的重载作用下，沥青砂浆内部的所受平均压力为0.347N，所受拉力为0.093N。最后，本文根据沥青砂浆的配合比关系，并根据实际微胶囊大小，建立了微观尺度的微胶囊自愈合体系微结构离散元模型，该模型只包含微胶囊、沥青胶浆及非常细的集料，最终确定了微胶囊的应至少满足25mN的压力作用下保持完好，才能满足在沥青路面中的使用要求。
　　最后，本文利用ABAQUS建立了单个微胶囊受力模型，通过有限元分析了囊壁材料和囊芯材料在力的作用下的应力和位移分布状况，并根据最大拉应力强度准则找到了微胶囊最容易破坏的位置为微胶囊受压区域外侧，此处所受最大的拉应力。此外，本文还研究了微胶囊的大小、囊壁厚度以及囊壁材料的弹性模量对微胶囊各组分应力和位移分布的影响。研究发现，微胶囊越大，其受力后应力越大，越容易发生破裂现象，且尺寸变化很小就能造成很大的应力变化；囊壁厚度越大，其抵抗荷载的能力越强，越不容易发生破裂；囊壁材料的弹性模量越大，其抗变形能力越强，但变形的减少导致应力的升高，使最大等效应力变化较大，因此，目前对于囊壁材料的弹性模量对于抗裂性能的好坏，尚需进一步研究。
　　2、微胶囊在沥青产生微裂纹时的可裂性能要求
　　对于微胶囊在沥青产生微裂纹时的可裂性分析时，采用解析法难以解决复杂材料的断裂问题，且受到尺寸效应的影响，也无法采用试验法对微胶囊的开裂机理进行研究，数值模拟方法为处理微胶囊在沥青路面的可裂性提供了思路。传统扩展有限元法和有限元法对于处理微胶囊颗粒和裂纹共存时存在一定的局限性，本文结合上述两种方法的优点，采用改进扩展有限元法对微胶囊在裂纹作用下的可裂性进行了综合分析。
　　首先，本文介绍了改进扩展有限元法的实现方式，求解了典型问题的应力强度因子，并与常规有限元法和解析解进行了对比，证明了本文中方法的精度。之后，利用此方法对混合料断裂试验进行了模拟，并与实际试验相比对，证明了本文方法在裂纹扩展时的适用性。最后，本文对微胶囊的力学参数、相对位置和个数等对沥青基体断裂参数扩展的影响，并采用最大周向应力准则模拟判断裂纹的扩展轨迹。研究表明，微胶囊的弹性模量对沥青基体裂尖的断裂参数有重要影响，当微胶囊的弹性模量小于基体的弹性模量时，对裂尖的断裂参数起到强化作用，裂纹将朝着微胶囊扩展；而当微胶囊的弹性模量大于基体的弹性模量时，将对裂尖的断裂参数起到弱化作用，裂纹将绕开微胶囊向前扩展。此外，本文还探讨了可发挥愈合作用的微胶囊对基体材料疲劳寿命及裂纹扩展速率的影响。研究发现，在不考虑微胶囊的自愈合作用时，可发挥愈合作用的微胶囊会对加速裂纹的扩展，降低整体材料的疲劳寿命。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容和研究路线

第二章 沥青混合料数字试件及离散元参数的确定

2.1 沥青混合料数字试件的构建

2.2 离散元方法简介

2.3 沥青混合料离散元模型参数的选择

2.4 沥青混合料中离散元参数的确定

2.5 本章小结

第三章 沥青路面中微胶囊的多尺度受力分析

3.1 重载交通荷载作用分析

3.2 宏-细观尺度下沥青路面荷载响应分析

3.3 微观尺度下微胶囊的受力分析

3.4 本章小结

第四章 微胶囊各组分受力分析及破裂位置预测

4.1 微胶囊受力模型

4.2 微胶囊的模拟结果分析

4.3 微胶囊模型的多参数综合分析

4.4 本章小结

第五章 微胶囊可裂性分析的数值模拟方法

5.1 扩展有限元法基本理论

5.2 基体内含微胶囊颗粒的数值模拟方法

5.3微胶囊自愈合机理和断裂力学基础

5.4 改进扩展有限元模型的验证

5.5 本章小结

第六章 沥青路面中微胶囊可裂性的性能要求

6.1 裂纹和单个微胶囊的相互作用

6.2 裂纹和两个微胶囊之间的相互作用

6.3 微胶囊在沥青胶浆中的可裂性总结

6.4 微胶囊对裂纹扩展速率的影响

6.5 本章小结

结论及展望

主要结论

创新点

进一步研究建议

参考文献

攻读学位期间取得的科研成果

致谢