روشهای عددی در مهندسی

روشهای عددی در مهندسی

مدلسازی عددی ناهمگن رفتار ویسکواالستیک ماستیک آسفالتی مبتنی بر تولید تصادفی هندسه ریزساختار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی‌تکنیک تهران)، تهران، ایران
چکیده
ماستیک آسفالتی، متشکل از قیر و فیلر معدنی، نقش مهمی در عملکرد مخلوط‌های آسفالتی دارد. آزمایش‌های متداول تنها قادر به ارزیابی رفتار کلی ماستیک هستند و در توصیف رفتار موضعی آن در مقیاس ریزساختار ناتوانند. از این رو، توسعه مدل‌های عددی با قابلیت بازنمایی ریزساختار برای بررسی رفتار موضعی آن ضروری است. یکی از گام‌های کلیدی در مدل‌سازی عددی غیرهمگن، تولید هندسه ریزساختار است به گونه‌ای که منعکس‌کننده رفتار نمونه‌های واقعی باشد. از آنجا که رفتار مکانیکی ماستیک علاوه بر ویژگی‌های قیر به دانه‌بندی و درصد حجمی فیلر وابسته است، در این پژوهش نرم‌افزاری اختصاصی برای تولید هندسه سه‌بعدی تصادفی ذرات بر مبنای دانه‌بندی و حجم دلخواه توسعه داده شد. با بهره‌گیری از این ابزار، مدل‌های عددی دوفازی ماستیک متناظر با نمونه‌های واقعی ساخته و توانایی آن‌ها در پیش‌بینی رفتار ویسکوالاستیک ارزیابی شد. بدین منظور، مشخصات رفتار ویسکوالاستیک دو نوع قیر (تازه و پیرشده بازیافتی) و ماستیک‌های ساخته‌شده با آن‌ها، توسط آزمایش جاروب فرکانس به وسیله رئومتر برش دینامیکی اندازه‌گیری شد. سپس با ادغام خصوصیات ویسکوالاستیک قیرها و هندسه‌های تصادفی تولیدشده، مدل‌های عددی ایجاد شدند. برای صحت‌سنجی مدل‌ها، آزمایش‌های جاروب فرکانس در دماها و فرکانس‌های مختلف به روش اجزای محدود شبیه‌سازی و نتایج با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه گردید. این مقایسه نشان داد هندسه‌های تصادفی تولیدشده توانایی بالایی در بازنمایی ریزساختار واقعی ماستیک دارند و مدل‌های عددی مبتنی بر آن‌ها رفتار ویسکوالاستیک ماستیک را با میانگین دقت بیش از 95% برای مدول برشی مختلط (G*) و بیش از 90% برای زاویه فاز (δ) پیش‌بینی می‌کنند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Heterogeneous Numerical Modeling of the Viscoelastic Behavior of Asphalt Mastic Based on Random Microstructural Geometry Generation

نویسندگان English

Amir Taheri
Ali Khodaii
Pouria Hajikarimi
Department of Civil & Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran.
چکیده English

Asphalt mastic, composed of asphalt binder and mineral filler, plays a critical role in determining the mechanical behavior and performance of asphalt mixtures. Conventional laboratory tests primarily evaluate the overall mechanical response of mastics and cannot capture their local behavior at the microstructural scale. This limitation highlights the need for numerical models that represent the heterogeneous microstructure of asphalt mastic. A key step in such modeling is generating representative microstructural geometries that reflect the characteristics of real samples. Since mastic behavior depends on both binder properties and filler characteristics, including gradation and volumetric content, this study developed specialized software to generate three-dimensional random particle geometries based on predefined gradation curves and volume fractions. Using this tool, two-phase numerical models were constructed according to the specifications of actual mastic samples. The viscoelastic properties of two asphalt binder types, a fresh binder and a reclaimed aged binder, along with their corresponding mastics, were determined through frequency sweep tests using a Dynamic Shear Rheometer. These experimentally measured properties were incorporated into the generated microstructures to develop finite element models of asphalt mastics. To validate the proposed approach, numerical simulations of frequency sweep tests were conducted at selected temperatures and loading frequencies, and the results were compared with experimental measurements. The comparisons demonstrated that the randomly generated geometries effectively represent mastic microstructures, and the developed models predicted viscoelastic behavior with high accuracy, achieving average agreements over 95% for complex shear modulus (G*) and over 90% for phase angle (δ).

کلیدواژه‌ها English

Asphalt Mastic
Numerical Modeling
Microstructure
Random Geometry
Linear Viscoelasticity

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 20 مهر 1405

تحت نظارت وف بومی