沥青混合料中由整体形态决定的疲劳损伤行为：一项采用真实几何形状的离散元研究

《Powder Technology》：Aggregate morphology-driven fatigue damage behavior in asphalt mixtures: A discrete element study with realistic geometries

粗集料形态对沥青混合料疲劳性能的影响机制研究。通过三维扫描集料构建离散元模型，结合并行粘结应力腐蚀模型模拟半圆形弯曲疲劳行为，揭示了不同形态集料（角状、扁平状、圆滑状）对内部荷载传递、裂纹演化路径及损伤模式的作用机理，为形态导向的可持续沥青混合料设计提供理论支撑。

　　

王敏|陈晨|余欣|朱浩然|唐伟|周晓东

中国南京河海大学土木与交通工程学院，邮编210024

摘要

基础设施的快速发展导致了天然骨料消耗量的增加，使其成为一种稀缺资源。在骨料加工过程中，不可避免地会产生大量形态不理想的粗骨料。然而，骨料形状对疲劳开裂的力学影响尚未得到充分理解，这限制了其在路面工程中的合理使用。本研究建立了一个力学框架，以阐明沥青混合料的形态驱动的疲劳损伤演变过程。开发了一种离散元方法（DEM）模型，该模型结合了真实的三维扫描骨料几何形状，并采用平行键应力腐蚀（PSC）模型来模拟含有角状、扁平和圆形骨料的半圆形弯曲（SCB）疲劳行为。通过分析疲劳寿命、接触分布特征、裂纹扩展行为、损伤演变和应变能储存模式，揭示了其中的微观机制。结果表明，骨料形状决定了内部载荷传递机制和疲劳损伤模式。角状骨料形成了刚性的互锁骨架，增强了裂纹偏转能力，但在砂浆相中引起了局部应力集中。扁平骨料形成了层状和交错的结构，促进了协同变形并稳定了能量重新分布，从而具有更好的疲劳抵抗力。圆形骨料的互锁能力较弱，导致力传递不稳定、能量局部释放以及主导裂纹的快速形成。本研究为形态依赖的疲劳行为提供了力学见解，也为基于形态的骨料选择和以疲劳为导向的可持续沥青混合料设计提供了科学依据。

引言

随着交通基础设施的迅速扩张以及对骨料开采环境要求的日益严格，高质量粗骨料的长期稳定性和可持续供应已成为交通行业面临的关键挑战[1]、[2]、[3]、[4]。粗骨料通常是通过破碎天然岩石获得的。然而，由于岩性和破碎条件的不同，所得粗骨料的形态特征存在显著差异[5]、[6]。在实际的路面工程中，通常更倾向于使用具有明显角状特征和良好互锁性能的破碎天然骨料。尽管如此，在生产过程中仍会不可避免地产生大量形态不理想的粗骨料[7]。这些骨料往往没有得到充分或有效的利用。这一限制主要源于对非理想骨料颗粒如何影响沥青混合料力学性能和损伤演变过程的力学理解不足。这种理解上的欠缺导致宝贵矿产资源的低效利用，在某些情况下甚至限制了交通基础设施的可持续发展。

已有大量研究致力于骨料形态的分类和定量表征。骨料形状通常使用几何参数和基于图像的参数来描述，这些参数旨在捕捉颗粒复杂性和表面不规则性[8]、[9]。常用的指标包括角度、圆度、球形度、扁平比、伸长指数和表面纹理。这些描述符已被进一步优化，以便于实际应用。标准化测试方法（如AASHTO TP 61、ASTM D4791和JTG 3432–2024）被广泛用于将粗骨料分类为角状、破碎状、扁平状、延长状和圆形颗粒[10]、[11]、[12]。粗骨料构成了沥青混合料的主要承重骨架，因此其形态决定了颗粒间的互锁、接触力传递和变形兼容性[13]、[14]、[15]、[16]。这种效应在石料沥青中尤为明显，石料沥青的特点是具有石块间的骨架结构[17]。先前的研究已经证明了骨料形态与宏观性能指标（包括模量[18]、强度[19]、[20]和抗车辙性能[21]、[22]）之间存在强相关性。然而，大多数现有研究仍局限于宏观性能评估，对这些差异背后的内部机制了解不足。

实验室测试在加载过程中难以直接观察微观结构的演变。因此，数值模拟已成为研究沥青混合料力学机制的重要方法。与传统有限元方法相比，离散元方法（DEM）在捕捉颗粒相互作用、运动行为和能量耗散过程方面具有明显优势[23]、[24]。然而，三维DEM模拟需要对所有接触点进行重复迭代计算，导致计算效率较低。为了平衡效率和建模精度，大多数现有研究依赖于二维模型。在这些模型中，粗骨料通常由具有预定形态特征的多边形表示，这些特征被限制在单个平面内[16]、[25]、[26]。这种方法引入了很强的主观性，与真实骨料形态有很大偏差，并忽略了空间排列和随机分布特性。

对于长期服役的沥青路面而言，疲劳开裂已成为影响结构耐久性的最严重问题之一。许多研究致力于探讨影响沥青混合料疲劳寿命的因素，主要集中在外部加载条件和环境因素上[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]，包括加载模式、测试温度、加载波形、休息时间和加载频率以及应力水平。这些努力显著提高了疲劳寿命预测的准确性，并加深了对宏观疲劳响应行为的理解。然而，相比之下，沥青混合料的内部结构特性——特别是粗骨料形态对微观损伤演变和裂纹扩展路径的影响——仍缺乏系统和充分的解释。这一研究空白不仅限制了非理想骨料颗粒的合理利用，也制约了以性能为导向的沥青混合料设计策略的发展。

为了解决这些问题，开发了一个结合了沥青混合料真实微观结构特征的DEM模型。使用平行键应力腐蚀（PSC）模型进行了半圆形弯曲（SCB）疲劳模拟。通过分析接触分布、裂纹演变、损伤进展和应变能变化，阐明了粗骨料形态影响疲劳行为的微观机制。本研究的目标是阐明控制疲劳裂纹演变的微观机制，并为可持续和以性能为导向的沥青混合料设计建立基于形态的力学基础。

部分内容摘录

粗骨料形态分类

基于以往的研究以及本研究中使用的DEM模型的适用性，在二维平面上难以准确区分扁平骨料和延长骨料。因此，将这两种类型合并为扁平骨料。具体而言，选择了三种代表性的粗骨料形态进行建模：角状、扁平状和圆形。角状骨料由多个具有明显边缘和粗糙不规则的平面组成

结果与讨论

在本节中，从多个相互关联的方面分析了沥青混合料的疲劳行为。首先介绍了循环加载下可观察到的裂纹扩展行为，作为疲劳损伤的宏观表现。随后，检查了接触分布特征，以揭示控制应力传递的微观结构配置。然后量化了疲劳损伤的演变过程，以描述其渐进性退化过程

工程意义

研究表明，粗骨料形态在控制沥青混合料的疲劳损伤演变中起着重要作用。因此，在混合料设计和骨料选择时应充分考虑其影响。角状、扁平状和圆形骨料之间的显著差异表明，疲劳性能从根本上受骨料互锁稳定性和内部载荷传递效率的控制。

从工程角度来看

结论

本研究通过结合真实的三维扫描骨料几何形状、DEM切片方法和PSC模型，研究了粗骨料形态如何控制沥青混合料的疲劳行为。研究结果揭示了几种控制疲劳裂纹起始、扩展和失效模式的微观力学机制。主要结论如下：

(1)

含有扁平或角状骨料的混合料具有更好的疲劳抵抗力，而圆形骨料

作者贡献声明

王敏：撰写——原始草稿、软件开发、方法论设计、数据整理。陈晨：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。余欣：监督、资源协调。朱浩然：撰写——审稿与编辑、资金获取。唐伟：验证、方法论设计。周晓东：软件开发、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本文描述的研究活动得到了国家自然科学基金青年项目（项目编号：52408478）和国家自然科学基金（项目编号：52378448）的资助。感谢所有资助方的支持。