【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(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(shí)際級配有著較好的相關(guān)性，圖像級配在一定程度上可以反映實(shí)際級配狀況。 (4)提出了軸向系數(shù) (Aspect)、圓度(Roundness)兩個指標(biāo)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(biāo)與常規(guī)評價指標(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(jī)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(yàn)進(jìn)行模擬計算，瀝青砂漿靜壓蠕變試 驗(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)計法與 SuperpaveTM 設(shè)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(guān)系。 然而，并未從根本上揭示混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征對宏觀性能的影響關(guān)系，從而出現(xiàn)了統(tǒng)計指標(biāo) (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(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 )對混合料的性 能起到重要的影響。 隨著先進(jìn)的材料測試技術(shù)與手段的不斷完善，計算機(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(shí)與 SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí) )、不同級配形式 (、 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(jìn)行定量評價，并對粗集料的圖像級配特征進(jìn)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(xué)模型，提出砂漿組成設(shè)計方法，對相應(yīng) 的三種瀝青砂漿 (AC1 SMA16與 OGFC16砂漿 )的粘彈性參數(shù)進(jìn)行蠕變試驗(yàn)研究，并采用有限元軟件 ABAQUS 對其粘彈性力學(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 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 IDT 劈裂試驗(yàn)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(xué)特性進(jìn)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(xué)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(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(shí)際級配有著較好的相關(guān)性，圖像級配在一定程度上可以反映實(shí)際級配狀況。 (4)提出了軸向系數(shù) (Aspect)、圓度(Roundness)兩個指標(biāo)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(biāo)與常規(guī)評價指標(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(jī)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(yàn)進(jìn)行模擬計算，瀝青砂漿靜壓蠕變試驗(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)計法與 SuperpaveTM 設(shè)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(guān)系。 然而，并未從根本上揭示混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征對宏觀性能的影響關(guān)系，從而出現(xiàn)了統(tǒng)計指標(biāo) (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(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 )對混合料的性能起到重要的影響。 隨著先進(jìn)的材料測試技術(shù)與手段的不斷完善，計算機(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(shí)與 SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí) )、不同級配形式 (、 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(jìn)行定量評價， 并對粗集料的圖像級配特征進(jìn)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(xué)模型，提出砂漿組成設(shè)計方法，對相應(yīng)的三種瀝青砂漿 (AC1 SMA16與 OGFC16砂漿 )的粘彈性參數(shù)進(jìn)行蠕變試驗(yàn)研究，并采用有限元軟件 ABAQUS 對其粘彈性力學(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 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 IDT 劈裂試驗(yàn)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(xué)特性進(jìn)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(xué)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(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(shí)際級配有著較好的相關(guān)性，圖像級配在一定程度上可以反映實(shí)際級配狀況。 (4)提出了軸向系數(shù) (Aspect)、圓度(Roundness)兩個指標(biāo)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(biāo)與常規(guī)評價指標(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(jī)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