satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2019-18-2-171-180sat-1956Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВОCIVIL AND INDUSTRIAL ENGINEERINGМоделирование асфальтобетона методом дискретных элементовModeling of Asphalt Concrete While Using Discrete Element MethodАлексеенкоВ. B.AlekseenkoV. V.

Кандидат химических наук, доцент

Адрес для переписки: Алексеенко Виктор Викторович – ул. Лермонтова, 83, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, Российская Федерация. Тел.: +7 914 875-7915    alavic59@yahoo.com

Address for correspondence: Alekseenko Viktor V. –  Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov str., 664074, Irkutsk, Russian Federation. Tel.: +7 914 875-7915    alavic59@yahoo.com

alavic59@yahoo.comВабищевичК. Ю.VabishchevichK. Yu.ВерхотуроваЕ. В.VerkhoturovaE. V.

Доцент

Иркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation201917042019182171180Copyright © Алексеенко В.B., Вабищевич К.Ю., Верхотурова Е.В., 20192019Алексеенко В.B., Вабищевич К.Ю., Верхотурова Е.В.Alekseenko V.V., Vabishchevich K.Y., Verkhoturova E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/1956

В статье для исследования композиционного материала, похожего по строению на асфальтобетон, рассмотрена математическая модель, которая явно учитывает наличие твердых частиц разных размеров и мягкого и пластичного связующего. Методом дискретных элементов в двумерной постановке исследовано разрушение асфальтобетонных образцов при одноосном сжатии, растяжении при расколе и сжатии по методу Маршалла. Численная модель учитывает наличие крупных частиц щебня, асфальтовой мастики, заполняющей поры в щебне, и липкой (способной восстанавливаться после разрыва) связи между частицами щебня. Силовое взаимодействие между различными компонентами асфальтобетона описано с помощью упругого отталкивания между частицами щебня, силы трения и силы, отвечающей за прилипание частиц, ввиду наличия вяжущего. Эта модель дает правильную, совпадающую с реальным экспериментом картину разрушения для одноосного сжатия, растяжения при расколе и сжатия по методу Маршалла. Именно правильная картина разрушения для трех различных схем нагружения материала позволяет оценить адекватность использованной математической модели. Установлены основные физико-механические характеристики вяжущего, которые определяют прочность и деформативность асфальтобетона. Показано, что для адекватного описания физико-механических характеристик асфальтобетона необходимо изучать и измерять свойства асфальтовяжущего – смеси битума и мелкодисперсного минерального наполнителя, определяющего параметры взаимодействия между частицами щебня. На основании выполненных авторами численных экспериментов можно предложить новые лабораторные методы испытаний смеси каменных материалов и органических связующих, которые намного более просты и, следовательно, дешевы, чем стандартные испытания асфальтобетона. Кроме того, эти испытания будут точнее предсказывать поведение асфальтобетона в реальных условиях.

The paper considers a mathematical model which is used to study a composite material similar in structure to asphalt concrete and it takes into account presence of solid particles of different sizes and a soft and plastic binder. The twodimensional method of discrete elements has been applied to investigate destruction of asphalt-concrete samples under uniaxial compression, tension during splitting and compression by the Marshall method. The numerical model takes into account presence of large particles of rubble, asphalt mastic filling rubble pores and sticky (capable of recovering after rupture) communication between rubble particles. The force interaction between various components of the asphalt concrete has been described with the help of elastic repulsion between rubble particles, friction force and force responsible for sticking of particles due to presence of a binder. This model gives a correct fracture pattern for uniaxial compression, stretching during splitting and compression according to the Marshall method and this pattern coincides with the real experiment. It is the correct picture of destruction for three different schemes of material loading which makes it possible to assess the adequacy of the mathematical model which has been used. Basic physico mechanical characteristics of the binder which determine strength and deformability of asphalt concrete have been established in the paper. It has been shown that for an adequate description of physico mechanical characteristics for asphalt concrete it is necessary to study and measure properties of an asphalt binder that is a mixture of bitumen and fine mineral filler which determines parameters of interaction between rubble particles. The numerical experiments serve as a basis and make it possible to propose new laboratory methods for testing a mixture of stone materials and organic binders which are much simpler and, therefore, cheaper than standard tests on asphalt concrete. In addition these tests will more accurately predict behavior of asphalt concrete in real conditions.

метод дискретных элементовасфальтобетонасфальтовяжущееразрушениепрочностьдеформативностьодноосное сжатиерастяжение при расколесжатие по методу Маршаллаdiscrete element methodasphalt concreteasphalt binderfragmentationstrengthdeformabilityuniaxial compressionindirect tensile testMarshall compressionReferencesCundall, P. A. A Discrete Numerical Model for Granular Assemblies / Р. А. Cundall, O. D. L. Strack // Geotechnique. 1979. No 29. Р. 47–65. https://doi.org/10.1680/geot.1979.29.1.47Cundall P. A., Strack O. D. L. (1979) A Discrete Numerical Model for Granular Assemblies. Geotechnique, 29, 47–65. https://doi.org/10.1680/geot.1979.29.1.47Zhang, D. The Calculation of Contact Forces Between Particles Using Spring and Damping Models / D. Zhang, W. Whiten // Powder Technology. 1996. Vol. 88. P. 59–64. https://doi.org/10.1016/0032-5910(96)03104-xZhang D., Whiten W. (1996) The Calculation of Contact Forces Between Particles Using Spring and Damping Models. Powder Technology, 88, 59–64. https://doi.org/10.1016/0032-5910(96)03104-xZhang, D. A New Calculation Method for Particle Motion in Tangential Direction in Discrete Element Simulations / D. Zhang, W. Whiten // Powder Technology. 1999. Vol. 102, No 3. P. 235–243. https://doi.org/10.1016/s0032-5910(98)00209-5Zhang D., Whiten W. (1999) A New Calculation Method for Particle Motion in Tangential Direction in Discrete Element Simulations. Powder Technology, 102 (3), 235–243. https://doi.org/10.1016/s0032-5910(98)00209-5Potyondy, D. O. A Bonded-Particle Model for Rock / D. O. Potyondy, P. A. Cundall // Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. 2004. Vol. 8, No 41. P. 1329–1364. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2004.09.011Potyondy D. O., Cundall P. A. (2004) A Bonded-Particle Model for Rock Cundall. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 41 (8), 1329–1364. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2004.09.011Дорофеенко, С. О. Численное моделирование течения бидисперсного сыпучего материала во вращающемся реакторе / С. О. Дорофеенко, Е. В. Полианчик, Г. Б. Манелис // ДАН. 2008. Т. 422, № 5. С. 615–617.Dorofeenko S. ?., Polianchyk E. V., Manelis G. B. (2008) Numerical Simulation of Bidisperse Granular Material Flow in Rotating Reactor. Doklady Physics, 53 (10), 510-512. https://doi.org/10.1134/s1028335808100029Хан, Г. Н. О несимметричном режиме разрушения массива горных пород в окрестности полости / Г. Н. Хан // Физическая мезомеханика. 2008. Т. 11, № 1. С. 109–114.Khan G. N. (2008) On Unbalanced Conditions of Rock Fragmentation near Hollow. Fizicheskaya Mezomekhanika Physical Mesomechanics Journal, 11 (1), 109-114 (in Russian).Хан, Г. Н. Моделирование методом дискретных элементов динамического разрушения горной породы / Г. Н. Хан // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2012. № 1. С. 110–117.Khan G. N. (2012) Discrete Element Modeling of Rock Fragmentation Dynamics. Journal of Mining Science, 48 (1), 110–117. https://doi.org/10.1134/s1062739148010108Potyondy, D. O. The Bonded-Particle Model as a Tool for Rock Mechanics Research and Application: Current Trends and Future Directions / D. O. Potyondy // Geosystem Engineering. 2015. Vol. 18, No 1. P. 1–28. https://doi.org/10.1080/12269328.2014.998346Potyondy D. O. (2015) The Bonded-Particle Model as a Tool for Rock Mechanics Research and Application: Current Trends and Future Directions. Geosystem Engineering,18 (1), 1–28. https://doi.org/10.1080/12269328.2014.998346Discrete Element Method Modeling of the Rheological Properties of Coke/Pitch Mixtures / Behzad Majidi [et al.] // Materials. 2016. Vol. 9, No 5. P. 334–346. https://doi.org/10.3390/ma9050334Behzad Majidi, Seyed Taghavi, Mario Fafard, Donald Ziegler, Houshang Alamdari (2016) Discrete Element Method Modeling of the Rheological Properties of Coke/Pitch Mixtures. Materials, 9 (5), 334–346. https://doi.org/10.3390/ma9050334Yade Reference Documentation [Electronic Resource] / V. Šmilauer [et al.]. 2010. Mode of access: http://yade-dem.org/doc/. Date of access: 29 April 2016.Šmilauer V, Catalano E, Chareyre B, Dorofeenko S, Duriez J, Gladky A, Kozicki J, Modenese C, Scholtès L, Sibille L, Stránský J, Thoeni K (2010) Yade reference documentation. Available at: http://yade-dem.org/doc/. (accessed 29 April 2016).Investigation of Micro-Mechanical Response of Asphalt Mixtures by a Three-Dimensional Discrete Element Model / Shuguangl Hou [et al.] // Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. ed. 2015. Vol. 30, No 2. P. 338–343. https://doi.org/10.1007/s11595-015-1150-5Shuguang Hou, Dong Zhang, Xiaoming Huang, Yongli Zhao (2015) Investigation of Micro-Mechanical Response of Asphalt Mixtures by a Three-Dimensional Discrete Element Model. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 30 (2), 338–343. https://doi.org/10.1007/s11595-015-1150-5Zelelew, H. M. Micromechanical Modeling of Asphalt Concrete Uniaxial Creep Using the Discrete Element Method / Н. М. Zelelew, A. T. Papagiannakis // Journal Road Materials and Pavement Design . 2010. Vol. 11, No 3. P. 613–632. https://doi.org/10.1080/14680629.2010.9690296Zelelew H. M., Papagiannakis A. T. (2010) Micromechanical Modeling of Asphalt Concrete Uniaxial Creep Using the Discrete Element Method. Journal Road Materials and Pavement Design, 11 (3), P. 613–632. https://doi.org/10.1080/14680629.2010.9690296You, Z. Discrete Element Modeling to Predict the Modulus of Asphalt Concrete Mixtures / Z. You, W. G. Buttlar // Journal of Materials in Civil Engineering. 2004. Vol. 16, No 2. P. 140–146. https://doi.org/10.1061/(asce)0899-1561(2004)16:2(140)You Z., Buttlar W. G. (2004) Discrete Element Modeling to Predict the Modulus of Asphalt Concrete Mixtures. Journal of Materials in Civil Engineering, 16 (2), 140–146. https://doi.org/10.1061/(asce)0899-1561(2004)16:2(140)Potyondy, D. Material-Modeling Support in PFC [fistPkg25]: Technical Memorandum ICG7766-L, March 16, 2017 / D. Potyondy. Minneapolis, Minnesota: Itasca Consulting Group, Inc. 2017.Potyondy D. (2017) Material-Modeling Support in PFC [fistPkg25]. Technical Memorandum ICG7766-L, March 16, 2017. Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, Minnesota.Алексеенко, В. В. Асфальтовяжущие, модифицированные полимерами и наночастицами углерода / В. В. Алек-сеенко, Ю. В. Салтанова // Вестник ИрГТУ. 2012. № 12. C. 131–133.Alekseenko V. V., Saltanova Yu. V. (2012) Asphalt binders modified with polymers and carbon nanoparticles. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University, (12), 131–133 (in Russian).Андронов, С. Ю. Сравнение результатов получения композиционных асфальтобетонных смесей дисперсно-армированных с добавкой базальтового фиброволокна / С. Ю. Андронов, А. А. Задирака // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2017. № 2. C. 161–165.Andronov S. Yu., Zadiraka A. A. (2017) Comparison of results for obtaining composite asphalt mixtures with dispersed reinforcement and addition of basalt fibre. Vestnik Kuzbasskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta = Vestnik of Kuzbass State Technical University, (2), 161–165 (in Russian).Rheological Properties and Chemical Analysis of Nano-clay and Carbon Microfiber Modified Asphalt with Fourier Transform Infrared Spectroscopy / Hui Yao [et al.] // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 38. P. 327–337. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.08.004Hui Yao, Zhanping You, Liang Li, Shu Wei Goh, Chee Huei Lee, Yoke Khin Yap, Xianming Shi (2013) Rheological Properties and Chemical Analysis of Nano-clay and Carbon Microfiber Modified Asphalt with Fourier Transform Infrared Spectroscopy. Construction and Building Materials, 38, 327–337. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.08.004Шеховцова, С. Ю. Влияние углеродных нанотрубок на свойства ПБВ и асфальтобетона / С. Ю. Шеховцова, М. А. Высоцкая // Вестник Московского государственного строительного университета. 2015. № 11. С. 110–117. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2015.11.110-119Shekhovtsova S. Yu., Vysotskaya M. A. (2015) Effect of Carbon Nanotubes on the Properties of PMB and Asphalt Concrete. Vestnik MGSU, (11), 110–117 (in Russian). https://doi.org/10.22227/1997-0935.2015.11.110-119Evaluating the Effectiveness of Producing the Activated Mineral Powders from Technogenic Raw Materials for Asphalt Mixtures / А. Trautvain [et al.] // Procedia Engineering. 2015. Vol. 117. P. 350–356. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.172Trautvain A., Yadykina V., Gridchin A., Pashkova C. (2015) Evaluating the Effectiveness of Producing the Activated Mineral Powders from Technogenic Raw Materials for Asphalt Mixtures. Procedia Engineering, 117, 350–356. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.172Kjndrashov, A. A. Dynamic Modulus Application in the Asphalt Compaction Rheological Model for Pavement Construction / А. А. Kjndrashov, A. A. Shestopalov // Magazine of Civil Engineering. 2014. No 7. Р. 103–111. https://doi.org/10.5862/mce.51.7Kjndrashov A. A., Shestopalov A. A. (2014) Dynamic Modulus Application in the Asphalt Compaction Rheological Model for Pavement Construction. Magazine of Civil Engineering, (7), 103–111. https://doi.org/10.5862/mce.51.7Prediction of the Dynamic Modulus of Superpave Mixes / A. A. Abdo [et al.] // Bearing Capacity of Roads Railways and Airfields. 2009. P. 314–320. https://doi.org/10.1201/9780203865286.ch33Abdo A. A, Nielsen R., Jung S., Weaver T., Bayomy F., Santi M. (2009) Prediction of the Dynamic Modulus of Superpave Mixes. Bearing Capacity of Roads Railways and Airfields, 314–320. https://doi.org/10.1201/9780203865286.ch33Роско, К. Значение деформаций в механике грунтов / К. Роско // Периодический сборник переводов иностранных статей. Механика. 1971. № 3. С. 91–145.Rosko K. (1971) Deformation Importance in Soil Mechanics. Periodical Digest of Foreign Article Translations. Mechanics, (3), 91-145.Кирюхин, Г. Н. Термофлуктуационная и фрактальная модель долговечности асфальтобетона / Г. Н. Кирюхин // Дороги и мосты. 2014. Т. 31, № 1. С. 247–268.Kiryukhin G. N. (2014) Thermal Fluctuation and Fractal Model of Asphalt Concrete Durability. Dorogi i Mosty = Roads and Bridges, 31 (1), 247-268 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.