瀝青混合料微細觀結(jié)構(gòu)及其數(shù)值仿真研究.pdf

1、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(gòu)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(gòu)(集料形狀、尺寸、棱角及

2、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(gòu)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(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、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(gòu)的虛擬試驗模型并闡述集料與砂漿的作用關系

3、，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)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X-ray 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(AC-1.6、SMA-16與OGFC-16)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

4、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(AC-16、SMA-16與OGFC-16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

5、技術的有限元分析方法(DIP-FEM)，提出瀝青混合料IDT劈裂試驗的二維微細觀結(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AC-16試件與SMA-16試件、對SGC成型與Marshall成型的AC-16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

6、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AC-16與SMA-16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Mars

7、hall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

8、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

9、)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