颗粒形态对OGFC混合料压实行为的影响：智能骨料监测与DEM分析

《Particuology》：Particle morphology effects on compaction behaviour of OGFC mixtures: Smart aggregate monitoring and DEM analysis

　　

颗粒形态影响旋转压实(gyratory compaction)过程中的接触行为；智能骨料(Smart Aggregate, SA)监测捕获局部力与旋转响应；离散元法(Discrete Element Method, DEM)揭示了形态依赖的动力学响应、接触组成及组构各向异性(fabric anisotropy)。

压实是决定沥青混合料空隙分布、集料骨架结构和长期性能的关键过程。对于开级配抗滑磨耗层（Open-graded Friction Course, OGFC）混合料，高空隙率使其压实质量直接影响排水能力、降噪、抗松散、抗车辙和骨架稳定性。集料形态在压实过程中对颗粒滑动、旋转、嵌锁和接触定向起着关键作用，因为OGFC混合料的荷载传递主要依赖粗集料间接触。已有研究多采用宏观指标（如压实度、空隙率、马歇尔稳定度等）评价形态影响，难以揭示不同形态如何改变内部颗粒运动和力链重构。X射线CT、数字图像处理和三维形态扫描主要用于静态结构表征，无法连续观测压实过程中的颗粒尺度演化。智能骨料（SA）传感器能嵌入混合料内部监测局部力和旋转响应，但其信号局部性强，受邻域颗粒影响，难以单独解释机制。离散元法（DEM）能在颗粒尺度提供运动、接触分布和组构演化信息，但多数研究集中于全局压实曲线或最终骨架状态，缺乏对动能演化、速度场、近传感器力响应与各向异性之间关系的系统分析。因此，本研究将SA监测与真实形态DEM模拟相结合，探究颗粒形态对OGFC旋转压实中致密化、局部力响应和接触网络演化的影响。

研究人员设计了含不同扁平细长颗粒含量（10%–40%）和不同洛杉矶磨耗转数（0–1500）的OGFC-16试件，开展实验室旋转压实，记录SA三轴力和旋转响应，并提出细观稳定性指标MSI^*。同时，利用三维扫描重建棱角、磨耗、细长、扁平四类代表性颗粒形态，建立DEM旋转压实模型，分析SA动能、速度场、接触力分布、接触组成和局部/全局组构各向异性。论文发表在《Particuology》。

在技术方法上，研究人员采用实验室旋转压实试验，使用智能骨料（SA）传感器内嵌于试件中部，实时采集三轴力和三轴旋转响应。骨料形态通过Artec Space Spider手持三维扫描仪获取，并用开源SHAPE代码量化Wadell球形度（S）、Zingg伸长指数（EI）和扁平指数（FI）。数值模拟采用离散元法（DEM），将扫描几何重构为多球团簇，分别代表棱角、磨耗、细长和扁平颗粒；基于OGFC-16级配和试件尺寸生成虚拟试件，采用Hertz-Mindlin（HM）结合Johnson-Kendall-Roberts（JKR）接触模型模拟集料-集料和含沥青砂浆接触。实验室样本包含7种独立条件，每种3个重复，共21个试件；DEM共10个虚拟试件（4种单一形态和6种二元混合）。

### 4.1 宏观压实度演化

通过绘制压实度随旋转次数变化的曲线，发现扁平细长颗粒含量从10%增加至40%使压实曲线明显下移，最终压实度降低；而磨耗转数从0增至1500使压实曲线整体上移，最终压实度从约86.0%升至88.2%。这说明扁平细长颗粒通过交错接触、局部桥接和受限重排降低了可压实性，而磨耗削弱棱角嵌锁，促进颗粒滑动、滚动和空隙压缩。

### 4.2 旋转压实过程中的SA读数

研究人员对SA三轴力和旋转信号进行中值滤波，定义合力幅值F_mag和合成相对旋转幅值，并建立MSI^*。结果显示，20%扁平细长含量时MSI^*略高且波动相对稳定；30%和40%时MSI^*波动加剧，表明局部骨架非均匀承载和反复失稳。磨耗增加使MSI^*水平及波动幅度降低，表明棱角嵌锁和瞬时约束减弱。

### 4.3 沥青混合料接触行为演化

#### 4.3.1 动能与速度场演化

通过计算SA动能，发现棱角颗粒系统（Ang100%）动能最高，磨耗系统（Abr100%）次之，细长（Elo100%）和扁平（Flat100%）系统最低。速度场显示棱角颗粒在试件边缘形成高速度区，而细长和扁平颗粒在内部形成明显低速度区，说明后者通过几何约束限制颗粒平动和转动。

#### 4.3.2 SA力响应与局部力传递

SA法向合力随压实增大。Ang100%的力值高且波动剧烈；Abr100%增长更平滑。Elo100%和Flat100%早期法向力低、接触点少，后期随姿态调整和桥接结构稳定而显著上升。三维接触力分布显示，细长和扁平颗粒早期与SA直接接触