Моделирование асфальтобетона методом дискретных элементов

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.

метод дискретных элементов, асфальтобетон, асфальтовяжущее, разрушение, прочность, деформативность, одноосное сжатие, растяжение при расколе, сжатие по методу Маршалла

1. Cundall, 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.1979.29.1.47

2. Zhang, 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-x

3. Zhang, 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)00209-5

4. Potyondy, 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.2004.09.011

5. Дорофеенко, 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.

6. Хан, Г. Н. О несимметричном режиме разрушения массива горных пород в окрестности полости / Г. Н. Хан // Физическая мезомеханика. 2008. Т. 11, № 1. С. 109-114.

7. 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.

8. Potyondy, 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/10.1080/12269328.2014.998346

9. Discrete 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/ma9050334

10. Yade Reference Documentation [Electronic Resource] / V. Šmilauer [et al.]. 2010. Mode of access: http://yade-dem.org/doc. Date of access: 29 April 2016.

11. 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/s11595-015-1150-5

12. Zelelew, 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/10.1080/14680629.2010.9690296

13. You, 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)

14. Potyondy, D. Material-Modeling Support in PFC [fistPkg25]: Technical Memorandum ICG7766-L, March 16, 2017 / D. Potyondy. Minneapolis, Minnesota: Itasca Consulting Group, Inc. 2017.

15. Алексеенко, В. В. Асфальтовяжущие, модифицированные полимерами и наночастицами углерода / В. В. Алек-сеенко, Ю. В. Салтанова // Вестник ИрГТУ. 2012. № 12. C. 131-133.

16. 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.

17. 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.2012.08.004

18. Шеховцова, 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/10.22227/1997-0935.2015.11.110-119

19. Evaluating 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.2015.08.172

20. Kjndrashov, 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.51.7

21. Prediction 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.ch33

22. Роско, К. Значение деформаций в механике грунтов / К. Роско // Периодический сборник переводов иностранных статей. Механика. 1971. № 3. С. 91-145.

23. Кирюхин, Г. Н. Термофлуктуационная и фрактальная модель долговечности асфальтобетона / Г. Н. Кирюхин // Дороги и мосты. 2014. Т. 31, № 1. С. 247-268.