【文章內(nèi)容簡介】 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 擊實成型試件。 SMA 瀝青混合料的內(nèi)部空隙無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配曲線來看，圖像級配的走向、規(guī)律、范圍與實際級配有著較好的相關性，圖像級配在一定程度上可以反映實際級配狀況。 (4)提出了軸向系數(shù) (Aspect)、圓度(Roundness)兩個指標來表征粗集料的二維形狀特征。對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；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)兩個圖像評價指標與常規(guī)評價指標間具有良好的相關性。 (6)提出運用數(shù)字圖像手段來檢測粗集料級配特征的評價方法。經(jīng)篩孔轉(zhuǎn)換后，圖像級配與室內(nèi)機械篩分級配的平均誤差小于5％，具有很好的精度。 (7)提出了 Burgers 模型向 Prony 級數(shù)系數(shù)的轉(zhuǎn)換方法。通過 ABAQUS 軟件對瀝青砂漿的蠕變試驗進行模擬計算，瀝青砂漿靜壓蠕變試 驗結(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，集料點位處的應力顯著地高于砂漿點位處的應力水平，可以初步判斷，應力在瀝青混合料內(nèi)部的傳遞規(guī)律為 “ 遇強則強 ” ，即對于模量高的集料，其承擔的應力將顯著高于模量低的砂漿。 (9)對于非均質(zhì)的瀝青混凝土復合材料，砂漿與集料應變分布的非協(xié)調(diào)性是導致其產(chǎn)生破壞的主要原因之一。尤其對于集料砂漿的交界面處，砂漿物質(zhì)與集料物質(zhì)應變體現(xiàn)出極大的不協(xié)調(diào)性，這將直接導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 設計法與 SuperpaveTM 設計法多限于采用表象法、從統(tǒng)計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) (級配、空隙率、密度、瀝青含量等 )與路用性能間 (高溫抗車轍、低溫抗裂、疲勞等 )的關系。 然而，并未從根本上揭示混合料內(nèi)部結(jié)構特征對宏觀性能的影響關系，從而出現(xiàn)了統(tǒng)計指標 (諸如級配、瀝青用量、空隙率等 )相同而各試件性能有較大差異的情況。 瀝青混合料的細觀與微觀結(jié)構 (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 )對混合料的性 能起到重要的影響。 隨著先進的材料測試技術與手段的不斷完善，計算機軟硬件水平的不斷提高，使瀝青混合料微細觀結(jié)構的研究與虛擬試驗研究成為可能。 本文圍繞瀝青混合料的微細觀結(jié)構分析為主線，從瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構識別與分析、到粗集料形態(tài)特征研究方法與分析指標、進而研究瀝青砂漿粘彈性的模型與參數(shù)，建立混合料細觀結(jié)構的虛擬試驗模型并闡述集料與砂漿的作用關系，以及內(nèi)部結(jié)構特征與外部荷載與變形的相互關系，從而揭示瀝青混合料的受力機理，為工程實踐應用提供一定的理論指導。 本文主要針對以下內(nèi)容展開研究： (1)采用 Xray CT無損掃描與數(shù)碼相位切割掃描對不同成型方式 (Marshall擊實與 SGC旋轉(zhuǎn)壓實 )、不同級配形式 (、 SMA16 與 OGFC16)瀝青混合料的內(nèi)部特征進行定量研究，其中重點分析了混合料內(nèi)部空隙與集料的分布特性； (2)基于數(shù)字圖像處理技術，自行研制開發(fā)的 MASCA 系統(tǒng) (粗集料形態(tài)特征分析系統(tǒng) )，對粗集料的形狀、棱角特征進行定量評價，并對粗集料的圖像級配特征進行了探索性研究； (3)針對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模型，提出砂漿組成設計方法，對相應 的三種瀝青砂漿 (AC1 SMA16與 OGFC16砂漿 )的粘彈性參數(shù)進行蠕變試驗研究，并采用有限元軟件 ABAQUS 對其粘彈性力學性能進行驗證與初步分析； (4)采用基于數(shù)字圖像處理技術的有限元分析方法 (DIPFEM)，提出瀝青混合料 IDT 劈裂試驗的二維微細觀結(jié)構有限元建模方法，采用 ABAQUS 有限元分析軟件，對 IDT 劈裂試驗進行非線性數(shù)值模擬，重點分析了加載方向、空隙分布、加載速率、集料砂漿模量比等因素對 IDT 劈裂試驗的影響規(guī)律，對 Marshall 成型的 AC16 試件與 SMA16試件、對 SGC 成型與 Marshall成型的 AC16 試件的力學特性進行有限元模擬，分析級配型式與成型方式對瀝青混合料內(nèi)部集料與砂漿力學特性的影響。 通過上述內(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配型式的影響。 SGC 旋轉(zhuǎn)壓實成型試件，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 擊實成型試件。 SMA 瀝青混合料的內(nèi)部空隙無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配曲線來看，圖像級配的走向、規(guī)律、范圍與實際級配有著較好的相關性，圖像級配在一定程度上可以反映實際級配狀況。 (4)提出了軸向系數(shù) (Aspect)、圓度(Roundness)兩個指標來表征粗集料的二維形狀特征。對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；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)兩個圖像評價指標與常規(guī)評價指標間具有良好的相關性。 (6)提出運用數(shù)字圖像手段來檢測粗集料級配特征的評價方法。經(jīng)篩孔轉(zhuǎn)換后，圖像級配與室內(nèi)機械篩分級配的平均誤差小于5％，具有很好的精 度。 (7)提出了 Burgers 模型向 Prony 級數(shù)系數(shù)的轉(zhuǎn)換方法。通過 ABAQUS 軟件對瀝青砂漿的蠕變試驗進行模擬計算，瀝青砂漿靜壓蠕變試驗結(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，集料點位處的應力顯著地高于砂漿點位處的應力水平，可以初步判斷，應力在瀝青混合料內(nèi)部的傳遞規(guī)律為 “ 遇強則強 ” ，即對于模量高的集料，其承擔的應力將顯著高于模量低的砂漿。 (9)對于非均質(zhì)的瀝青混凝土復合材料，砂漿與集料應變分布的非協(xié)調(diào)性是導致 其產(chǎn)生破壞的主要原因之一。尤其對于集料砂漿的交界面處，砂漿物質(zhì)與集料物質(zhì)應變體現(xiàn)出極大的不協(xié)調(diào)性，這將直接導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 設計法與 SuperpaveTM 設計法多限于采用表象法、從統(tǒng)計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) (級配、空隙率、密度、瀝青含量等 )與路用性能間 (高溫抗車轍、低溫抗裂、疲勞等 )的關系。 然而，并未從根本上揭示混合料內(nèi)部結(jié)構特征對宏觀性能的影響關系，從而出現(xiàn)了統(tǒng)計指標 (諸如級配、瀝青用量、空隙率等 )相同而各試件性能有較大差 異的情況。 瀝青混合料的細觀與微觀結(jié)構 (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 )對混合料的性能起到重要的影響。 隨著先進的材料測試技術與手段的不斷完善，計算機軟硬件水平的不斷提高，使瀝青混合料微細觀結(jié)構的研究與虛擬試驗研究成為可能。 本文圍繞瀝青混合料的微細觀結(jié)構分析為主線，從瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構識別與分析、到粗集料形態(tài)特征研究方法與分析指標、進而研究瀝青砂漿粘彈性的模型與參數(shù)，建立混合料細觀結(jié)構的虛擬試驗模型并闡述集料與砂漿的作用關系，以及內(nèi)部結(jié)構 特征與外部荷載與變形的相互關系，從而揭示瀝青混合料的受力機理，為工程實踐應用提供一定的理論指導。 本文主要針對以下內(nèi)容展開研究： (1)采用 Xray CT無損掃描與數(shù)碼相位切割掃描對不同成型方式 (Marshall擊實與 SGC旋轉(zhuǎn)壓實 )、不同級配形式 (、 SMA16 與 OGFC16)瀝青混合料的內(nèi)部特征進行定量研究，其中重點分析了混合料內(nèi)部空隙與集料的分布特性； (2)基于數(shù)字圖像處理技術，自行研制開發(fā)的 MASCA 系統(tǒng) (粗集料形態(tài)特征分析系統(tǒng) )，對粗集料的形狀、棱角特征進行定量評價， 并對粗集料的圖像級配特征進行了探索性研究； (3)針對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模型，提出砂漿組成設計方法，對相應的三種瀝青砂漿 (AC1 SMA16與 OGFC16砂漿 )的粘彈性參數(shù)進行蠕變試驗研究，并采用有限元軟件 ABAQUS 對其粘彈性力學性能進行驗證與初步分析； (4)采用基于數(shù)字圖像處理技術的有限元分析方法 (DIPFEM)，提出瀝青混合料 IDT 劈裂試驗的二維微細觀結(jié)構有限元建模方法，采用 ABAQUS 有限元分析軟件，對 IDT 劈裂試驗進行非線性數(shù)值模擬，重點分析了 加載方向、空隙分布、加載速率、集料砂漿模量比等因素對 IDT 劈裂試驗的影響規(guī)律，對 Marshall 成型的 AC16 試件與 SMA16試件、對 SGC 成型與 Marshall成型的 AC16 試件的力學特性進行有限元模擬，分析級配型式與成型方式對瀝青混合料內(nèi)部集料與砂漿力學特性的影響。 通過上述內(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配型式的影響。 SGC 旋轉(zhuǎn)壓實成型試件，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 擊實成型試件。 SMA 瀝青混合料的內(nèi)部空隙無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配曲線來看，圖像級配的走向、規(guī)律、范圍與實際級配有著較好的相關性，圖像級配在一定程度上可以反映實際級配狀況。 (4)提出了軸向系數(shù) (Aspect)、圓度(Roundness)兩個指標來表 征粗集料的二維形狀特征。對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；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)兩個圖像評價指標與常規(guī)評價指標間具有良好的 相關性。 (6)提出運用數(shù)字圖像手段來檢測粗集料級配特征的評價方法。經(jīng)篩孔轉(zhuǎn)換后，圖像級配與室內(nèi)機械篩分級配的平均誤差小于5％，具有很好的精度。 (7)提出了 Burgers 模型向 Pron