一、概述
众所周知，沥青路面内部水分的长期作用会削弱其结构，胶浆颗粒的侵蚀以及水分通过胶浆向胶浆-骨料界面的扩散均会导致材料劣化。这种劣化在冬季会进一步加剧沥青对失效的敏感性，胶浆变脆更易开裂，滞留在沥青内部的水分在冻结成冰时产生的体积膨胀会引发附加损伤。
沥青路面的冻融损伤是一个复杂的现象，受到多种因素如水分渗透、温度、沥青组成材料的力学性能及各组分间界面的影响。为构建包含上述所有参数的综合多尺度模型，需要开发一个结合水分渗透及相关损伤、孔隙内水分冻结引发的体积膨胀和机械损伤机制的微观力学模型。通过施加依赖于温度的体积膨胀实现孔隙冻胀，采用基于能量的损伤模型和粘聚区模型分别表征胶浆内的内聚损伤及胶浆-骨料界面的粘附损伤。为验证模型，对不同参数（冻融循环次数、微观结构级配和冻结时间）的影响进行模拟。
二、图像处理
使用开级配和密级配两种类型的沥青材料，采用 X 射线 CT 扫描获得微观结构。将获得的扫描图像数据导入 Simpleware 软件进行图像处理，基于阈值分割出骨料、胶浆、孔隙并为三个相分别设置不同的网格密度，导出高质量的 FE 体积网格模型。选择较小的子试样作为代表性体积单元（RVE），开级配微观结构的尺寸为 20 × 20 × 20 mm，由 59.36% 骨料、29.39% 胶浆、11.25% 孔隙组成，体积网格模型包含 59125 个四面体单元；密级配微观结构的尺寸为 17 × 17 × 10 mm，由 40.33% 骨料、57.11% 胶浆、2.56% 孔隙组成，体积网格模型包含 19937 个四面体单元。
三、模拟
本研究开发的微观力学模型由三个部分组成：水分输运、水到冰的膨胀、由水和机械载荷造成的损伤。首先，采用菲克第二定律模拟水分通过微观结构组分的渗透；其次，通过在孔隙中施加额外的体积应变模拟孔隙中水冻结成冰发生的膨胀；最后，使用连续介质损伤方法引入胶浆内和胶浆-骨料界面因水分和机械载荷造成的劣化。将模型嵌入到有限元仿真软件COMSOL Multiphysics 中，未知变量（水分、损伤以及变形的粘弹性部分）通过软件内置的偏微分方程（PDE）求解计算，采用隐式求解耦合的本构方程。设置骨料和冰为线性弹性材料，胶浆为粘弹性。
所有微观结构在进行冻融循环前均需经历 24 h 的水分扩散过程。假设结构中孔隙初始即为完全满水状态，从而模拟极端损伤工况。扩散仅发生在从孔隙向其余两相传输的过程中，各相间所有边界均满足连续性条件。鉴于微观结构尺寸较小，假设试样中没有温度梯度。每个冻融循环后进行压缩试验，在顶部表面（不含孔隙区域）施加 0.1 MPa 压力，使用整个微观结构的有效杨氏模量评估并比较损伤演化对结构性能的影响。
通过不同工况设置验证模型，第一组针对已证实可影响冻融损伤的因素（孔隙和冻融循环次数）开展模拟，第二组研究微观结构在温度低于 0℃ 时对时间的敏感性。
四、结果
4.1 冻融循环和孔隙
对密级配与开级配两种沥青微观结构在水分渗透和冻融循环作用下的损伤进行量化，密级配微观结构不合逻辑地呈现出更高由水分造成的损伤。此结果的一个可能原因是孔隙在开级配结构中的位置更朝向中心，因此未显示出最受影响的区域。
比较不同循环次数后胶浆-骨料界面的粘附损伤，密级配微观结构具有较大的损伤区域。这不一定仅与孔隙量有关，也可能受到很多其他因素如界面相对孔隙的位置和界面尺寸等的影响。两个结构均在第一次冻融循环后显示出最大损伤增量，即使损伤持续发展，损伤率随循环次数逐渐降低。
压缩胶浆时水分转变为冰膨胀引发的内部应力使胶浆内聚损伤增加，由于受损胶浆的粘弹性行为，每个循环后损伤显著增加。与预期结果一致，开级配微观结构中有更多的孔隙中充满水分，显示出更高的内聚损伤。
通过微观结构的压缩刚度评估粘附损伤和内聚损伤对沥青混合料整体性能的影响。数据分析表明，具有更多孔隙的微观结构受到冻融循环的影响更大，且在第一次循环后刚度降低最多，之后趋于平缓。刚度降低减少和损伤增加的趋势主要是因为不允许更多水分在冻融循环间进入微观结构的限制。在真实的沥青混合料中，损伤表现为裂纹形成、已有孔隙的扩张和出现新孔隙，增加的总孔隙体积将使更多水分渗透，进而引发更大损伤。
虽然模拟的归一化压缩刚度与其他材料特性曲线并不完全一致，但显示出了相同的变化趋势。基于此可以得出结论，该模型能够捕捉到冻融循环次数增加对沥青微观结构特性的影响。
4.2 冻结时间
低于 0°C 进行模拟时，内聚损伤随冻结时间显著增加。随着冰膨胀，胶浆中的应力相对恒定。但由于胶浆的粘弹性行为，应变随时间增加，应变能和内聚损伤也相应增加。
尽管胶浆-骨料界面既不是粘弹性，也不具有粘性损伤行为，但其产生的损伤取决于胶浆的粘弹性行为。因此，当胶浆在恒定冷冻过程中继续变形时，某些位置的界面也会增加应变，粘附损伤也随冻结时间增加。
胶浆和界面的损伤都会导致结构刚度的降低，主要是由于胶浆的粘弹性行为，低于 0°C 的时间对结构的整体性能至关重要。但在约 70 h 后，损伤（刚度减小）的速率降低至损伤不再发展，除非结构经受额外的冻融循环。
五、总结
本研究开发了一个模拟由冻融循环引发沥青微观结构中损伤的微观力学模型，融合了水分渗透、水分冻结时膨胀、由此产生的损伤（粘附损伤和内聚损伤）和机械损伤及对材料特性的影响。结果表明，该模型能有效捕捉冻融循环次数增加导致的性能劣化规律，并对冻融循环中的冻结时间表现出敏感性。
六、参考
- Lövqvist L, Balieu R, Kringos N. A micromechanical model of freeze-thaw damage in asphalt mixtures[J]. International Journal of Pavement Engineering, 2021, 22(8): 1017-1029