粗集料轮廓对沥青混合料细观力学的影响机制

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.250121

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (12): 140-152.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.250121

粗集料轮廓对沥青混合料细观力学的影响机制

贺军¹, 虞将苗¹, 李伟雄², 陈搏³, 石立万³, 张肖宁¹

^1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640
^2.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司，广东广州 510640
^3.佛山大学土木与交通学院，广东佛山 528000

收稿日期:2025-04-23 出版日期:2025-12-25 发布日期:2025-06-06
通信作者: 虞将苗（1979—），男，博士，教授，主要从事道路工程结构与材料研究。 E-mail:yujm@scut.edu.cn
作者简介:贺军（1984—），男，博士生，主要从事道路工程结构与材料研究。E-mail： cthejuntyr@mail.scut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(52178426)

Influence Mechanism of Coarse Aggregate Morphology on Meso-Mechanical Behavior of Asphalt Mixtures

HE Jun¹, YU Jiangmiao¹, LI Weixiong², CHEN Bo³, SHI Liwan³, ZHANG Xiaoning¹

^1.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^2.Guangzhou Xiaoning Road Engineering Technology Research Institute Co. ，Ltd. ，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^3.School of Civil Engineering and Transportation，Foshan University，Foshan 528000，Guangdong，China

Received:2025-04-23 Online:2025-12-25 Published:2025-06-06
Contact: 虞将苗（1979—），男，博士，教授，主要从事道路工程结构与材料研究。 E-mail:yujm@scut.edu.cn
About author:贺军（1984—），男，博士生，主要从事道路工程结构与材料研究。E-mail： cthejuntyr@mail.scut.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52178426)

摘要/Abstract

摘要：

为了揭示粗集料轮廓形态特征对沥青混合料细观力学的影响机制，该文采用数字图像处理技术获取粗集料轮廓特征，构建多形态特征粗集料离散元模型，结合单轴贯入虚拟试验系统研究了集料几何形态对沥青混合料细观力学响应的影响。研究结果表明：集料颗粒间接触点处存在拉/压混合应力模式，接触点处压应力比例为40%~50%，拉应力比例为10%~20%，拉压混合应力比例为30%~40%；单轴贯入荷载的作用导致微裂缝数量快速增长，针片状集料含量较高的混合料的粗集料模型中，集料-沥青界面的微裂缝较快连接形成贯穿裂缝，而对于立方体粗集料含量较高的混合料，界面微裂缝分布面积较小且应力水平较低；微裂缝主要由剪应力引发，其数量约占微裂缝总数的90%，由拉应力作用的微裂缝数量较少，约占微裂缝总数的10%；微裂缝最长达到10 mm，最短长度为0.2 mm左右；对于立方体粗集料较多的混合料，骨架嵌挤作用可以有效抵抗荷载作用。研究成果为沥青路面施工过程中的粗集料筛选，以及提升粗集料加工质量提供了理论依据。

关键词: 沥青混合料, 粗集料轮廓, 离散元, 密实状态, 细观力学

Abstract:

To reveal the influence mechanism of coarse aggregate profile characteristics on the meso-mechanical properties of asphalt mixtures, this study employed digital image processing technology to obtain the profile characteristics of coarse aggregates and constructed discrete element models of coarse aggregates with multiple morphological features. Combined with a virtual uniaxial penetration test system, the impact of aggregate geometry on the meso-mechanical response of asphalt mixtures was investigated. The results indicate that a mixed tensile-compressive stress mode exists at aggregate contact points, with compressive stress accounting for 40%~50%, tensile stress for 10%~20%, and mixed stresses for 30%~40% of the total. The application of uniaxial penetration load leads to rapid growth in microcrack numbers. In mixtures with higher elongated and flat aggregate content, microcracks at the aggregate-asphalt interface connect more readily to form through cracks, whereas mixtures with higher cubical aggregate content exhibit smaller microcrack distribution areas and lower stress levels. Microcracks are mainly induced by shear stress, accounting for about 90% of total microcracks; the number of microcracks caused by tensile stress is relatively small, accounting for about 10%. The maximum microcrack length reaches 10 mm, while the minimum is approximately 0.2 mm. For mixtures rich in cubical coarse aggregates, skeleton interlocking effectively resists loading. These findings provide theoretical support for coarse aggregate selection in asphalt pavement construction and quality improvement in aggregate processing.

Key words: asphalt mixture, coarse aggregate morphology, Discrete Element Method（DEM）, compaction state, meso-mechanical performance

中图分类号:

U414

贺军, 虞将苗, 李伟雄, 陈搏, 石立万, 张肖宁. 粗集料轮廓对沥青混合料细观力学的影响机制[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(12): 140-152.

HE Jun, YU Jiangmiao, LI Weixiong, CHEN Bo, SHI Liwan, ZHANG Xiaoning. Influence Mechanism of Coarse Aggregate Morphology on Meso-Mechanical Behavior of Asphalt Mixtures[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(12): 140-152.

图/表 25

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参考文献 21

[1]	SHI L W， WANG D Y， XIAO X，et al ．Meso-structural characteristics of asphalt mixture main skeleton based on meso-scale analysis［J］．Construction and Building Materials，2020，232：117263/1-12.
[2]	YANG H， YAN J M， SHAN L Y，et al ．Characterization and design of three-dimensional skeleton structure of asphalt mixture based on network science［J］．Construction and Building Materials，2024，419：135497/1-10.
[3]	CHENG Z H， LI X， YANG Q L，et al ．Study on compaction properties and skeleton structural characteristics of porous asphalt mixture［J］．Sustainability，2023，15（18）：13911/1-18.
[4]	FANG M J， PARK D， SINGURANAYO J L，et al ．Aggregate gradation theory，design and its impact on asphalt pavement performance：a review［J］．International Journal of Pavement Engineering，2019，20（12）：1408-1424.
[5]	GONG F Y， LIU Y， YOU Z P，et al ．Characterization and evaluation of morphological features for aggregate in asphalt mixture：a review［J］．Construction and Buil-ding Materials，2021，273：121989/1-15.
[6]	ZONG Y J， XIONG R， WANG Z B，et al ．Effect of morphology characteristics on the polishing resistance of coarse aggregates on asphalt pavement［J］．Construction and Building Materials，2022，341：127755/1-14.
[7]	林博煌，石立万，廖伟杰，等．基于图像处理的粗集料细观分布均匀性研究［J］．中外公路，2023，43（5）：214-218.
	LIN Bohuang， SHI Liwan， LIAO Weijie，et al ．Study on meso‑distribution uniformity of coarse aggregate based on image processing［J］．Journal of China and Foreign Highway，2023，43（5）：214-218.
[8]	CASTILLO D， CARO S， DARABI M，et al ．Influence of aggregate morphology on the mechanical performance of asphalt mixtures［J］．Road Materials and Pavement Design，2018，19（4）：972-991.
[9]	WANG H， WANG J， CHEN J Q ．Fracture simulation of asphalt concrete with randomly generated aggregate microstructure［J］．Road Materials and Pavement Design，2018，19（7）：1674-1691.
[10]	CHEN J Q， WANG H， LI L ．Virtual testing of asphalt mixture with two-dimensional and three-dimensional random aggregate structures［J］．International Journal of Pavement Engineering，2017，18（9）：824-836.
[11]	MASAD E， BUTTON J W ．Unified imaging approach for measuring aggregate angularity and texture［J］．Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering，2000，15（4）：273-280.
[12]	KOGBARA R B， MASAD E A， KASSEM E，et al ．A state-of-the-art review of parameters influencing measurement and modeling of skid resistance of asphalt pavements［J］．Construction and Building Materials，2016，114：602-617.
[13]	WANG W T， WANG L B， XIONG H C，et al ．A review and perspective for research on moisture damage in asphalt pavement induced by dynamic pore water pressure［J］．Construction and Building Materials，2019，204：631-642.
[14]	陈搏，张肖宁，虞将苗，等．基于图像配准与融合的胎/路接触应力测试方法［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2020，48（4）：132-141.
	CHEN Bo， ZHANG Xiaoning， YU Jiangmiao，et al ．Tire-road contact stress testing method based on image registration and fusion technology［J］．Joumal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2020，48（4）：132-141.
[15]	邓凯聆，王端宜，方秋萍．沥青-集料界面断裂能的测试方法与影响因素［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2023，51（8）：12-20.
	DENG Kailing， WANG Duanyi， FANG Qiuping，et al ．Fracture energy test method and influencing factors of asphalt-aggregate interface［J］．Joumal of South China University of Technology（Natural Science Edition），2023，51（8）：12-20.
[16]	SHI L W， WANG D Y， JIN C N，et al ．Measurement of coarse aggregates movement characteristics within asphalt mixture using digital image processing methods［J］．Measurement，2020，163：107948/1-12.
[17]	HUANG T， LIU G Q ．Evaluation for coarse aggregate distribution of asphalt mixtures based on the two-dimensional digital image analysis［J］．Construction and Building Materials，2024，450：138716/1-17.
[18]	SHI L W， GUO H J， ZENG G D，et al ．Key para-meters and effects in image processing and aggregate-aggregate contact calculation of asphalt mixtures［J］．Measurement，2025，239：115439/1-13.
[19]	CAI X， WU K H， HUANG W K，et al ．Study on the correlation between aggregate skeleton characteristics and rutting performance of asphalt mixture［J］．Construction and Building Materials，2018，179：294-301.
[20]	LI W X， WANG D Y， CHEN B，et al ．Research on three-dimensional morphological characteristics evaluation method and processing quality of coarse aggregate［J］．Buildings，2022，12（3）：293/1-19.
[21]	刁志军．基于粗集料形态特征参数的沥青混合料力学性能影响因素分析［D］．长春：吉林大学，2020．

孔径/mm	通过筛孔的质量百分比/%
孔径/mm	目标	上限	下限
26.500	100.0	100.0	100.0
19.000	100.0	100.0	90.0
16.000	83.5	92.0	78.0
13.200	69.2	80.0	62.0
9.500	57.4	72.0	50.0
4.750	38.7	56.0	26.0
2.360	24.2	44.0	16.0
1.180	17.3	33.0	12.0
0.600	11.9	24.0	8.0
0.300	9.1	17.0	5.0
0.150	6.3	13.0	4.0
0.075	4.0	7.0	3.0

编号	D	R_G	A_P
1	0.558	0.877	1.211
2	0.422	1.013	1.564
3	0.769	0.841	1.129
4	0.574	0.876	1.275
5	0.643	0.866	1.089
6	0.541	0.868	1.191
7	0.813	0.907	1.119
8	0.778	0.828	1.235

材料细观参数	数值
材料细观参数	集料	沥青
密度/（kg∙m^-3）	2 692	1 036
摩擦系数	0.5	0.5
黏结有效模量E*/（N∙m^-2）	1×10⁹	1×10⁹
法向切向刚度比k*	1.3	1.3
抗拉强度/（N∙m^-2）		4×10⁶
粘聚力/（N∙m^-2）		1×10⁶
内摩擦角/（°）	24	20
黏结半径/mm	0.5	0.5
接触阈值/mm	1
局部阻尼	0.7	0.7

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Influence Mechanism of Coarse Aggregate Morphology on Meso-Mechanical Behavior of Asphalt Mixtures

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[1]	陈忠, 刘琦, 吴红兵, 肖佳锋, 徐杨, 詹晓宇, 申爽. 基于颗粒阻尼器的电梯曳引机制动降噪[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2026, 54(1): 115-123.
[2]	丁小彬, 谢宇轩, 施钰. 基于改进接触模型的类岩石材料裂纹扩展分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(8): 146-158.
[3]	王伟, 谭忆秋, 徐永江. 沥青混合料3点弯曲内部受力研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(10): 101-111.
[4]	唐成, 王端宜, 贠迪, 等. 沥青混合料骨架细观接触的高通量计算[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(4): 135-144.
[5]	周小文, 许衍彬, 赵仕威, 等. 偏心率对颗粒介质次生各向异性的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(11): 141-154.
[6]	丁小彬施钰陈俊生. 基于三维离散元的大直径钢圆筒下沉侧摩阻力[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(4): 15-27.
[7]	郭寅川解志腾申爱琴张优华. 基于复合纳米光催化材料的隧道尾气降解研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2019, 47(7): 83-89.
[8]	肖鑫张肖宁. 排水沥青混合料各向异性空隙结构对渗水特性的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(1): 91-96.
[9]	麻向军吴哲浩. 颗粒团聚体在流场中的分散过程及力链演变[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(6): 65-69,76.
[10]	肖鑫张肖宁. 基于排水沥青混合料细观结构的排水特性分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(6): 113-120.
[11]	宋祉辰赵炼恒李亮谢荣福唐高朋. 地震拟静力效应下双组节理顺层岩质边坡稳定性分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(12): 135-143,150.
[12]	张苛张争奇. 含盐高湿环境沥青混合料力学特性的劣化[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2015, 43(8): 106-112.
[13]	赵春来臧孟炎. 基于FEM/DEM的轮胎-沙地相互作用仿真研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2015, 43(8): 75-81.
[14]	石立万王端宜徐驰梁何浩. 基于离散元法的沥青混合料骨架细观性能研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2015, 43(10): 50-56.
[15]	吴志勇张肖宁游宏苑苗苗万成. 基于应变控制的沥青混合料疲劳寿命预测[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2014, 42(2): 139-144.