沥青混合料低温裂纹扩展演化行为分析的学术研究报告

一、研究团队与发表信息
本研究由西南交通大学土木工程学院及道路工程四川省重点实验室的杜健欢、任东亚（通讯作者）、艾长发、邱延峻合作完成，论文《沥青混合料低温裂纹扩展演化行为分析》（Low Temperature Crack Propagation and Evolution of Asphalt Mixture）发表于《建筑材料学报》（Journal of Building Materials）2022年第25卷第3期。

二、学术背景与研究目标
沥青路面在低温环境下易产生开裂，严重影响道路耐久性。现有研究多通过宏观试验（如半圆弯曲试验、小梁断裂试验）分析沥青胶浆对混合料抗裂性能的影响，但沥青混合料作为多相非均匀材料，其骨料空间分布（骨架结构）对裂纹扩展的细观机制尚不明确。为此，本研究结合宏观试验与细观数值模拟，系统分析悬浮密实（AC-13）、骨架密实（SMA-13）、骨架空隙（OGFC-13）三种典型骨架结构对沥青混合料低温裂纹演化行为的影响，揭示其能量释放与应力场分布规律。

三、研究方法与流程

1. 宏观试验：间接拉伸试验（IDT）

   • 试件制备：采用旋转压实法成型ϕ150×70 mm试件，材料包括PPA复配SBS改性沥青、玄武岩细集料及石灰岩矿粉。
     
   • 试验条件：试件在-20℃环境箱中保温6小时，以1 mm/min速率加载位移（ASTM D1074-09标准）。
     
   • 数据处理：通过图像二值化处理观察裂纹分布，测定低温抗裂强度（Rt）。
     

2. 细观模拟：离散元模型构建与数值分析

   • 模型开发：基于颗粒随机生长算法（Random Particle-Based Growth Algorithm）建立非均匀离散元模型，考虑粗骨料（>2.36 mm）、沥青砂浆及空隙三相，突破传统球形骨料的局限。
     
   • 力学参数标定：通过宏细观参数转换（表2→表3），定义颗粒间接触特性：
     
     • 粗骨料间采用线性刚度模型（Linear Stiffness Model）；
       
     • 沥青砂浆采用平行黏结模型（Parallel Bond Model）；
       
     • 界面接触引入内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）模拟损伤。
       
   • 模拟条件：在PFC2D平台复现IDT试验，加载速率1 mm/min，调用Fracture子程序追踪裂纹类型（Ⅰ型拉裂/Ⅱ型剪切）及数量。
     

3. 数据分析

   • 裂纹演化：统计裂纹总数及类型比例，分析骨架结构对裂纹扩展方向的调控作用。
     
   • 能量释放率：通过微裂纹监控程序计算裂纹能量总释放率（G），考察储能与耗能速率变化。
     
   • 裂尖应力场：基于Fish语言提取拉/剪应力场分布，量化应力集中程度。
     

四、主要研究结果

1. 宏观试验结果

   • 悬浮密实与骨架密实混合料的抗裂强度（Rt≈3.55 MPa与3.13 MPa）显著高于骨架空隙（1.41 MPa）。
     
   • 骨架空隙混合料破坏时呈现多分支裂纹（图1），且裂纹路径偏离荷载方向，表明其抗裂性能最弱。
     

2. 细观模拟结果

   • 裂纹类型与数量（表5）：悬浮密实结构（AC-13）的Ⅰ型裂纹占比最高（90.97%），Ⅱ型裂纹最低（9.03%），说明其骨料分布能有效抑制剪切裂纹。
     
   • 能量释放率（图7）：悬浮密实结构的G值最高，需更多能量驱动裂纹扩展，能量耗散速率提升33%（相比骨架空隙）。
     
   • 应力场分布（图8-9）：悬浮密实结构裂尖拉应力场占比达78%，剪应力场仅占5%，证实其优异的应力分散能力。
     

五、研究结论与价值
1. 科学意义：首次从细观层面阐明了骨架结构通过调控裂纹类型（Ⅰ/Ⅱ型比例）、能量释放率及应力场分布影响沥青混合料低温抗裂性能的机制。
2. 应用价值：悬浮密实结构（AC-13）因其高储能、低应力集中特性，可作为季冻区沥青路面的优选方案，而骨架空隙结构（OGFC-13）需谨慎应用。
3. 方法创新：开发的非球形骨料离散元模型与颗粒随机生长算法，为后续多相材料断裂研究提供了新工具。

六、研究亮点
1. 多尺度验证：结合宏观试验与细观模拟，数据吻合度高（模拟Rt误差%）。
2. 能量视角突破：提出裂纹能量释放率时域曲线（G-t），揭示悬浮密实结构的“延迟开裂”特性。
3. 工程指导性：明确了骨架结构设计对抑制剪切裂纹的关键作用，为沥青混合料级配优化提供理论依据。

七、其他发现
迟滞效应：骨架密实结构（SMA-13）的裂纹扩展初期存在能量释放滞后现象（图7a），预示其可能适用于温差较小区域。