【正文】 道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文 [精品論文 ] 瀝青混合料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其數(shù)值仿真研究 關(guān)鍵詞：瀝青混合料 微細(xì)觀結(jié)構(gòu) 數(shù)字圖像處理 空隙分布 瀝青砂漿 劈裂試驗(yàn) 數(shù)值模擬 摘要：目前，傳統(tǒng)的 Marshall 設(shè)計(jì)法與 SuperpaveTM 設(shè)計(jì)法多限于采用表象法、從統(tǒng)計(jì)角度研究瀝青混合料的性能，即研究瀝青混合料宏觀品質(zhì) (級(jí)配、空隙率、密度、瀝青含量等 )與路用性能間 (高溫抗車(chē)轍、低溫抗裂、疲勞等 )的關(guān)系。 然而，并未從根本上揭示混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征對(duì)宏觀性能的影響關(guān)系，從而出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)指標(biāo) (諸如級(jí)配、瀝青用量、空隙率等 )相同而各試件性能有較大差異的情況。 瀝青混合料的細(xì)觀與微觀結(jié)構(gòu) (集料形狀、尺寸、棱角及集料在混合料中的空間分布狀況，瀝青薄膜厚度，瀝青砂漿的空間分布等 )對(duì)混合料的性能起到重要的影響。 隨著先進(jìn)的材料測(cè)試技術(shù)與手段的不斷完善，計(jì)算機(jī)軟硬件水平的不斷提高，使瀝青混合料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究與虛擬試驗(yàn)研究成為可能。 本文圍繞瀝青混合料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析為主線，從瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)識(shí)別與分析、到粗集料 形態(tài)特征研究方法與分析指標(biāo)、進(jìn)而研究瀝青砂漿粘彈性的模型與參數(shù)，建立混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒㈥U述集料與砂漿的作用關(guān)系，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與外部荷載與變形的相互關(guān)系，從而揭示瀝青混合料的受力機(jī)理，為工程實(shí)踐應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。 本文主要針對(duì)以下內(nèi)容展開(kāi)研究： (1)采用 Xray CT無(wú)損掃描與數(shù)碼相位切割掃描對(duì)不同成型方式 (Marshall擊實(shí)與 SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí) )、不同級(jí)配形式 (、 SMA16 與 OGFC16)瀝青混合料的內(nèi)部特征進(jìn)行定量研究，其中重點(diǎn)分析了混合料內(nèi)部空隙與集料的分 布特性； (2)基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，自行研制開(kāi)發(fā)的 MASCA 系統(tǒng) (粗集料形態(tài)特征分析系統(tǒng) )，對(duì)粗集料的形狀、棱角特征進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并對(duì)粗集料的圖像級(jí)配特征進(jìn)行了探索性研究； (3)針對(duì)前期研究中的三種瀝青混合料，選擇合理的砂漿粘彈性力學(xué)模型，提出砂漿組成設(shè)計(jì)方法，對(duì)相應(yīng)的三種瀝青砂漿 (AC1 SMA16與 OGFC16砂漿 )的粘彈性參數(shù)進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)研究，并采用有限元軟件 ABAQUS 對(duì)其粘彈性力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證與初步分析； (4)采用基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的有限元分析方法 (DIPFEM)，提 出瀝青混合料 IDT 劈裂試驗(yàn)的二維微細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元建模方法，采用 ABAQUS 有限元分析軟件，對(duì) IDT 劈裂試驗(yàn)進(jìn)行非線性數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了加載方向、空隙分布、加載速率、集料砂漿模量比等因素對(duì) IDT 劈裂試驗(yàn)的影響規(guī)律，對(duì) Marshall 成型的 AC16 試件與 SMA16試件、對(duì) SGC 成型與 Marshall成型的 AC16 試件的力學(xué)特性進(jìn)行有限元模擬，分析級(jí)配型式與成型方式對(duì)瀝青混合料內(nèi)部集料與砂漿力學(xué)特性的影響。 通過(guò)上述內(nèi)容的研究，可以得出如下研究結(jié)論： (1)空隙在瀝青混合料內(nèi)部呈不均勻分布，其變異 性大小受成型方式與級(jí)配型式的影響。 SGC 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，在試件的高度方向上，空隙分布總體上呈現(xiàn) “ 兩頭大，中間小 ” 的特性；在試件的橫向分布上，對(duì)于 AC16與 SMA16 試件，其空隙較多地分布在試件邊緣，試件呈 “ 外疏內(nèi)密 ” 狀態(tài)。 (2)SGC 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件內(nèi)部空隙的層位分布與橫向分布的變異性顯著大于Marshall 擊實(shí)成型試件。 SMA 瀝青混合料的內(nèi)部空隙無(wú)論是在層位分布上還是在橫向分布上均體現(xiàn)出很大的變異性。 (3)從瀝青混合料橫向剖面的圖像級(jí)配曲線來(lái)看，圖像級(jí)配的走向、規(guī)律、范圍與實(shí)際級(jí)配有著較 好的相關(guān)性，圖像級(jí)配在一定程度上可以反映實(shí)際級(jí)配狀況。 (4)提出了軸向系數(shù) (Aspect)、圓度(Roundness)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表征粗集料的二維形狀特征。對(duì)于相同巖性的集料顆粒，顆粒的軸向系數(shù)呈伽瑪分布；隨著集料粒徑的增大，其軸向系數(shù)呈下降趨勢(shì)；隨著集料顆粒粒徑的增大，顆粒的圓度值越接近于 1，顆粒形狀越接近于圓。 (5)采用顆粒周長(zhǎng)法與分形幾何法，分別提出顆粒粗糙度 (Roughness)與分形維數(shù) (FD)來(lái)表征集料顆粒的棱角特征。粗糙度與分形維數(shù)均能較好的體現(xiàn)集料顆粒的棱角特性，石灰?guī)r、花崗巖、玄 武巖與安山巖的棱角性差異并不顯著，卵石顆粒的棱角性顯著地小于其它四種集料。顆粒粗糙度與分形維數(shù)兩個(gè)圖像評(píng)價(jià)指標(biāo)與常規(guī)評(píng)價(jià)指標(biāo)間具有良好的相關(guān)性。 (6)提出運(yùn)用數(shù)字圖像手段來(lái)檢測(cè)粗集料級(jí)配特征的評(píng)價(jià)方法。經(jīng)篩孔轉(zhuǎn)換后，圖像級(jí)配與室內(nèi)機(jī)械篩分級(jí)配的平均誤差小于5％，具有很好的精度。 (7)提出了 Burgers 模型向 Prony 級(jí)數(shù)系數(shù)的轉(zhuǎn)換方法。通過(guò) ABAQUS 軟件對(duì)瀝青砂漿的蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行模擬計(jì)算，瀝青砂漿靜壓蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果、 Burgers 模型解析解與基于 Burgers 模型的 ABAQUS 有限元解具有良好的 一致性。 (8)在瀝青混合料內(nèi)部，集料點(diǎn)位處的應(yīng)力顯著地高于砂漿點(diǎn)位處的應(yīng)力水平，可以初步判斷，應(yīng)力在瀝青混合料內(nèi)部的傳遞規(guī)律為 “ 遇強(qiáng)則強(qiáng) ” ，即對(duì)于模量高的集料，其承擔(dān)的應(yīng)力將顯著高于模量低的砂漿。 (9)對(duì)于非均質(zhì)的瀝青混凝土復(fù)合材料，砂漿與集料應(yīng)變分布的非協(xié)調(diào)性是導(dǎo)致其產(chǎn)生破壞的主要原因之一。尤其對(duì)于集料砂漿的交界面處，砂漿物質(zhì)與集料物質(zhì)應(yīng)變體現(xiàn)出極大的不協(xié)調(diào)性，這將直接導(dǎo)致瀝青混合料在承載狀態(tài)下的逐漸破壞。 正文內(nèi)容 目前，傳統(tǒng)的 Marshall 設(shè)計(jì)法與 SuperpaveTM 設(shè)計(jì) 法多限于采用表象法、從統(tǒng)計(jì)角度研究瀝青混合料的性能，即研究瀝青混合料宏觀品質(zhì) (級(jí)配、空隙率、密度、瀝青含量等 )與路用性能間 (高溫抗車(chē)轍、低溫抗裂、疲勞等 )的關(guān)系。 然而，并未從根本上揭示混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征對(duì)宏觀性能的影響關(guān)系，從而出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)指標(biāo) (諸如級(jí)配、瀝青用量、空隙率等 )相同而各試件性能有較大差異的情況。 瀝青混合料的細(xì)觀與微觀結(jié)構(gòu) (集料形狀、尺寸、棱角及集料在混合料中的空間分布狀況，瀝青薄膜厚度，瀝青砂漿的空間分布等 )對(duì)混合料的性能起到重要的影響。 隨著先進(jìn)的材料測(cè)試技術(shù)與手段的不斷完善， 計(jì)算機(jī)軟硬件水平的不斷提高，使瀝青混合料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究與虛擬試驗(yàn)研究成為可能。 本文圍繞瀝青混合料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析為主線，從瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)識(shí)別與分析、到粗集料形態(tài)特征研究方法與分析指標(biāo)、進(jìn)而研究瀝青砂漿粘彈性的模型與參數(shù)，建立混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒㈥U述集料與砂漿的作用關(guān)系，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與外部荷載與變形的相互關(guān)系，從而揭示瀝青混合料的受力機(jī)理，為工程實(shí)踐應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。 本文主要針對(duì)以下內(nèi)容展開(kāi)研究： (1)采用 Xray CT無(wú)損掃描與數(shù)碼相位切割掃描對(duì)不同成型方式 (Marshall擊實(shí)與 SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí) )、不同級(jí)配形式 (、 SMA16 與 OGFC16)瀝青混合料的內(nèi)部特征進(jìn)行定量研究，其中重點(diǎn)分析了混合料內(nèi)部空隙與集料的分布特性； (2)基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，自行研制開(kāi)發(fā)的 MASCA 系統(tǒng) (粗集料形態(tài)特征分析系統(tǒng) )，對(duì)粗集料的形狀、棱角特征進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并對(duì)粗集料的圖像級(jí)配特征進(jìn)行了探索性研究； (3)針對(duì)前期研究中的三種瀝青混合料，選擇合理的砂漿粘彈性力學(xué)模型，提出砂漿組成設(shè)計(jì)方法，對(duì)相應(yīng)的三種瀝青砂漿 (AC1 SMA16與 OGFC16砂漿 )的 粘彈性參數(shù)進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)研究，并采用有限元軟件 ABAQUS 對(duì)其粘彈性力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證與初步分析； (4)采用基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的有限元分析方法 (DIPFEM)，提出瀝青混合料 IDT 劈裂試驗(yàn)的二維微細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元建模方法，采用 ABAQUS 有限元分析軟件，對(duì) IDT 劈裂試驗(yàn)進(jìn)行非線性數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了加載方向、空隙分布、加載速率、集料砂漿模量比等因素對(duì) IDT 劈裂試驗(yàn)的影響規(guī)律，對(duì) Marshall 成型的 AC16 試件與 SMA16試件、對(duì) SGC 成型與 Marshall成型的 AC16 試件的力學(xué)特性進(jìn)行有限元模 擬，分析級(jí)配型式與成型方式對(duì)瀝青混合料內(nèi)部集料與砂漿力學(xué)特性的影響。 通過(guò)上述內(nèi)容的研究，可以得出如下研究結(jié)論： (1)空隙在瀝青混合料內(nèi)部呈不均勻分布，其變異性大小受成型方式與級(jí)配型式的影響。 SGC 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，在試件的高度方向上，空隙分布總體上呈現(xiàn) “ 兩頭大，中間小 ” 的特性；在試件的橫向分布上，對(duì)于 AC16與 SMA16 試件，其空隙較多地分布在試件邊緣，試件呈 “ 外疏內(nèi)密 ” 狀態(tài)。 (2)SGC 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件內(nèi)部空隙的層位分布與橫向分布的變異性顯著大于Marshall 擊實(shí)成型試件。 SMA 瀝 青混合料的內(nèi)部空隙無(wú)論是在層位分布上還是在橫向分布上均體現(xiàn)出很大的變異性。 (3)從瀝青混合料橫向剖面的圖像級(jí)配曲線來(lái)看，圖像級(jí)配的走向、規(guī)律、范圍與實(shí)際級(jí)配有著較好的相關(guān)性，圖像級(jí)配在一定程度上可以反映實(shí)際級(jí)配狀況。 (4)提出了軸向系數(shù) (Aspect)、圓度(Roundness)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表征粗集料的二維形狀特征。對(duì)于相同巖性的集料顆粒，顆粒的軸向系數(shù)呈伽瑪分布；隨著集料粒徑的增大，其軸向系數(shù)呈下降趨勢(shì)；隨著集料顆粒粒徑的增大，顆粒的圓度值越接近于 1，顆粒形狀越接近于圓。 (5)采用顆粒周長(zhǎng) 法與分形幾何法，分別提出顆粒粗糙度 (Roughness)與分形維數(shù) (FD)來(lái)表征集料顆粒的棱角特征。粗糙度與分形維數(shù)均能較好的體現(xiàn)集料顆粒的棱角特性，石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖與安山巖的棱角性差異并不顯著，卵石顆粒的棱角性顯著地小于其它四種集料。顆粒粗糙度與分形維數(shù)兩個(gè)圖像評(píng)價(jià)指標(biāo)與常規(guī)評(píng)價(jià)指標(biāo)間具有良好的相關(guān)性。 (6)提出運(yùn)用數(shù)字圖像手段來(lái)檢測(cè)粗集料級(jí)配特征的評(píng)價(jià)方法。經(jīng)篩孔轉(zhuǎn)換后，圖像級(jí)配與室內(nèi)機(jī)械篩分級(jí)配的平均誤差小于5％，具有很好的精度。 (7)提出了 Burgers 模型向 Prony 級(jí)數(shù)系數(shù)的轉(zhuǎn) 換方法。通過(guò) ABAQUS 軟件對(duì)瀝青砂漿的蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行模擬計(jì)算，瀝青砂漿靜壓蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果、 Burgers 模型解析解與基于 Burgers 模型的 ABAQUS 有限元解具有良好的一致性。 (8)在瀝青混合料內(nèi)部，集料點(diǎn)位處的應(yīng)力顯著地高于砂漿點(diǎn)位處的應(yīng)力水平，可以初步判斷，應(yīng)力在瀝青混合料內(nèi)部的傳遞規(guī)律為 “ 遇強(qiáng)則強(qiáng) ” ，即對(duì)于模量高的集料，其承擔(dān)的應(yīng)力將顯著高于模量低的砂漿。 (9)對(duì)于非均質(zhì)的瀝青混凝土復(fù)合材料，砂漿與集料應(yīng)變分布的非協(xié)調(diào)性是導(dǎo)致其產(chǎn)生破壞的主要原因之一。尤其對(duì)于集料砂漿的交界面處，砂漿物質(zhì)與 集料物質(zhì)應(yīng)變體現(xiàn)出極大的不協(xié)調(diào)性，這將直接導(dǎo)致瀝青混合料在承載狀態(tài)下的逐漸破壞。 目前，傳統(tǒng)的 Marshall 設(shè)計(jì)法與 SuperpaveTM 設(shè)計(jì)法多限于采用表象法、從統(tǒng)計(jì)角度研究瀝青混合料的性能，即研究瀝青混合料宏觀品質(zhì) (級(jí)配、空隙率、密度、瀝青含量等 )與路用性能間 (高溫抗車(chē)轍、低溫抗裂、疲勞等 )的關(guān)系。 然而，并未從根本上揭示混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征對(duì)宏觀性能的影響關(guān)系，從而出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)指標(biāo) (諸如級(jí)配、瀝青用量、空隙率等 )相同而各試件性能有較大差異的情況。 瀝青混合料的細(xì)觀與微觀結(jié)構(gòu) (集料形狀、尺寸、棱角 及集料在混合料中的空間分布狀況，瀝青薄膜厚度，瀝青砂漿的空間分布等 )對(duì)混合料的性能起到重要的影響。 隨著先進(jìn)的材料測(cè)試技術(shù)與手段的不斷完善，計(jì)算機(jī)軟硬件水平的不斷提高，使瀝青混合料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究與虛擬試驗(yàn)研究成為可能。 本文圍繞瀝青混合料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析為主線，從瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)識(shí)別與分析、到粗集料形態(tài)特征研究方法與分析指標(biāo)、進(jìn)而研究瀝青砂漿粘彈性的模型與參數(shù)，建立混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒㈥U述集料與砂漿的作用關(guān)系，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與外部荷載與變形的相互關(guān)系，從而揭示瀝青混合料的受力機(jī)理，為 工程實(shí)踐應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。 本文主要針對(duì)以下內(nèi)容展開(kāi)研究： (1)采用 Xray CT無(wú)損掃描與數(shù)碼相位切