（1.长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南，长沙，410114）
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【摘 要】本文通过有限元法建立沥青混合料虚拟劈裂模型，研究疲劳过程中沥青混合料内部裂纹扩展规律。依据劈裂疲劳试验受力特点采用竖向位移值为变化量，建立非均质沥青混合料模型,分析该模型裂纹扩展区域和扩展模式随竖向位移变化。结果表明通过扩展有限元法建立非均质模型能反映真实裂纹扩展特性，为研究沥青混合料开裂特性提供参考。
【关键词】沥青混合料；劈裂疲劳试验；有限元法；裂纹扩展
前言
沥青路面开裂导致路面结构开裂边缘区域产生较大变形和不利受力特点，在荷载重复作用下开裂扩展使得路面结构层破坏，因此了解沥青路面裂缝扩展规律，对于减少沥青路面开裂具有重要意义。沥青混合料是非均匀复合材料，由粗集料、细集料、矿粉、沥青以及外加掺和料组成的内部结构各异的非均匀材料，通过建立虚拟模型，设定各组分不同材料参数，通过扩展有限元法（XFEM）求算非均匀材料内部力学特性，较好地模拟断裂导致材料单元分离不连续问题，可以较好模拟材料断裂过程以及由于材料自身性质劣化，裂纹沿不利区域自动扩展过程。
1．沥青混合料劈裂疲劳试验受力特性
劈裂试验是通过加载压条施加荷载至标准马歇尔试件侧面，使圆柱体试件竖向压缩，纵向和横向产生拉伸的加载状态，从而模拟沥青面层层底受力状态。
当进行劈裂疲劳试验时，在UTM材料试验机中设定合适的应力水平和加载频率，本文取应力水平0.4加载频率10Hz加载条件,在材料试验机中得出两个关键参数随疲劳过程荷载变化量，以及试件随疲劳过程竖向位移量。
由于沥青混合料在疲劳过程后段已处于较大开裂速率，上下部位材料已断裂开，中部材料接近断开，处于临界破坏阶段，此时较小的荷载都会导致巨大的裂纹变化，竖向位移量巨大，已不属于由于荷载作用所导致的竖向变形。以稳定开裂末尾为竖向位移总量0.08mm。将位移变化分为10个平均小段，即每一个小段位移为0.008mm。在XFEM有限元法，设定位移变量，每一次作用时竖向位移变化0.008mm，共有10次0.008mm位移量，当位移达到0.8mm时，即表示裂纹已贯通沥青混合料试件。
2．沥青混合料非均质模型分析
2.1 扩展有限元法应用于劈裂试验：
使用Abaqus扩展有限元法，关键点在于设置材料破坏属性和输出开裂结果。本文在模块材料属性中使用最大主应力的损伤破坏法则，损伤演化基于能量准则。为使输出Visualization能观察到裂纹自由扩展，需在分析部模块中设置PHILSM和PSILSM输出。为使得材料能在受力状态下开裂，对材料的破坏准则进行设定，以下是非均质模型的材料属性：粗集料弹性模量1200MPa、断裂能1000J/m2，沥青砂弹性模量300MPa、断裂能150J/m2，二者泊松比为0.3、最大主应力为4MPa。
2.2 沥青混合料非均质细观模型
经有限元分析过程可得竖向位移与裂纹长度变化如下表1：
非均质细观模型局部开裂示意如下图1：
图1
分析疲劳过程中非均质细观模型裂纹发展情况：
（1）疲劳试验开始阶段
疲劳试验开始阶段竖向位移变化从0mm至0.016mm，微小裂纹在上下压头中开始小部分蔓延，由于上下压头荷载作用位置受压且非均质材料沥青砂强度较小容易被压坏。但是由于圆心位移附近不受较大的压力，且还未达到受拉的破坏极限，裂纹未在中部出现。
（2）稳定损伤的疲劳阶段
由于材料随着荷载作用，上下压头位置裂纹扩展已较为充分，裂纹从上下压头位置开始往圆心中部延伸。在非均质模型中有一个最大的特点是：裂纹沿着沥青砂与粗集料边界延伸，并且裂纹绕过粗集料的边界向下一个紧连的粗集料延伸，究其原因粗集料强度较高，在疲劳荷载作用下难以将其破坏击碎，同时沥青砂由沥青和细集料组成使得强度较低，在沥青砂与粗集料的边界是二者粘结的薄弱区域，在粗集料棱角部位与沥青砂交界处产生应力集中的现象，因此在非均质模型的裂纹沿粗集料界面附近的沥青砂扩展。
（3）进入加速开裂阶段
从稳定损伤阶段过渡到加速开裂阶段，材料能够抵抗荷载作用的部分越来越少，非均质材料内部集料与集料间松散，剥离，使得沥青混合料产生较大的裂纹延伸。以下是非均值模型裂纹延伸过程，如下图2：
图2
可分析得真实沥青混合料疲劳过程中裂纹沿粗集料与沥青砂的边界处延伸，本文通过有限元法建立非均质细观模型模拟了沥青混合料内部裂纹扩展情况，而且模拟的效果与真实情况吻合。通过有限元分析法可以分析材料内部无法用肉眼观察的损伤变化，减少了通过大量试验研究带来的不便。
3．结论：
通过扩展有限元法模拟非均质沥青混合料劈裂疲劳试验，得出疲劳试验过程中沥青混合料开裂沿粗集料与沥青砂边界的薄弱环节开裂，由上下压头位置开始延伸直至试件的圆心部位，最后使得试件完全断开。本文使用有限元法较好模拟沥青混合料的内部开裂特性，为研究材料开裂性能提供参考。
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作者简介：
李沛洪（1993-），男，广东广州人，长沙理工大学硕士研究生
论文作者:李沛洪,李友云,巫伟军
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年7月总第212期
论文发表时间:2016/9/18
标签：沥青论文; 裂纹论文; 位移论文; 疲劳论文; 材料论文; 荷载论文; 模型论文; 《工程建设标准化》2016年7月总第212期论文;