粗集料形态与沥青混合料级配组成虚拟力学试验的基础方法研究

摘要

当前的沥青混合料级配组成设计基本上仍是沿用传统的实验-观察的现象学经验方法，应用先进的计算手段、力学分析工具，定量地分析微观或细观尺度沥青混合料的力学特征，对深刻理解沥青混合料的力学机理与改进沥青混合料组成设计方法有重要意义。当前研究工作在数字图像获取与处理技术、虚拟力学计算软件、分形原理等方面得到了迅速发展，这些技术的发展已被认为是道路工程界非常有潜力的一些研究发展方向。 本研究基于数字图像技术与分形原理，试图分析集料形态及对骨架结构、分布状况的影响，并作为用虚拟力学试验验证级配组成设计的基本方法。在应用数字图像技术获取集料的形态与分布信息时，将集料颗粒的形态特征分解为形状、棱角性、表面纹理等三个层次；并尝试应用多种方法分析集料形态与分布特征，为沥青混合料级配组成虚拟力学试验积累了基础方法。本文的主要研究结论： 1、应用手工测量与投影图像法测量的集料球状和形状因子存在很好相关性，且投影图像法在检测中间尺度或正交轴尺寸以及最短轴尺寸时更加准确，可以作为沥青混合料级配设计虚拟力学试验模型修正的基础方法。 2、不同石质在生产过程中对形状特征的影响不显著，但不同的生产方式对石料的形状特征影响显著，在成型过程中压碎值大的石料断裂也严重；半径法是检测集料棱角性最有效的方法；小波法的多分辨率分解是检测集料表面纹理的非常有效方法，推荐按水平6的能量信号来表现集料的表面纹理特性；集料颗粒的三个形态特征指标均对沥青混合料的体积特性有显著影响，但只有棱角性指标对沥青混合料稳定性有显著贡献。3、集料的几何形状复杂，分形维数达1.2以上，用盒计算法可比较稳定地分析单个颗粒以及沥青混合料剖面中颗粒的几何形状特性，且集料的分形维数与用小波法测得的表面纹理指标相关性较好，说明集料颗粒间的接触方式和当前常用假设与模型相差较大，在虚拟力学试验中可以使用集料几何形状特征同步校核沥青混合料的实测体积指标与设计指标之间的偏差。 4、在轮胎压实作用下，沥青混合料颗粒取向会出现明显变化，集料颗粒接触数量会少量增加，且车辙变形和集料颗粒的取向指标相关性良好，相关系数比集料接触数量更好；说明沥青混合料骨架形成以后，集料颗粒的取向性比致密性更能体现其稳定性，且集料取向指标中的集料颗粒取向矢量级4.75与平均绝对角AAA4.75可作为反映沥青混合料颗粒稳定性的检验指标。 5、沥青混合料级配设计虚拟力学计算结果的大应力路径分布和Bethe点阵最接近，同时，常用集料颗粒外形与金刚石最接近，其键渝渗模型参数也非常接近(金刚石的键渝渗阀值为38.8﹪)，完全可以采用金刚石的键渝渗模型来作为CAVF设计方法的数学理论依据，即沥青混合料的键渝渗阀值与粗集料的骨架间隙率VCA具有相同的意义。另外，也发现具有不同形态特征的石料在不同成型方式下其VCA结果会有差别，因此，沥青混合料的力学模型可以基于集料形态特征与成型方式通过粗集料的骨架空隙率VCA与颗粒间接触方式，如形状、棱角性、表面纹理、分形维数等参数来修正。 6、通过力学计算实例，论证了使用PFC2D软件进行沥青混合料级配组成虚拟力学试验的可行性；在虚拟力学计算时，可基于数字图像处理技术来获取沥青混合料试件剖面中颗粒的真实信息，并用PFC2D构建主骨料形态和分布，实现颗粒形态与分布的模拟。随着基础方法的进一步研究与检测手段的进步以及数据的积累，基于集料颗粒形态、分形维数等特性，使用虚拟力学试验精确评价沥青混合料的力学行为将是必然趋势。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1沥青混合料设计工作现状

1.1.2沥青混合料分析的数值方法与微观力学模型发展

1.1.3集料形态与分布对沥青混合料的影响

1.2国内外研究现状概述

1.2.1虚拟力学试验发展现状

1.2.2离散元方法在沥青混合料分析中的应用

1.2.3集料颗粒形态的计算机描述

1.2.4沥青混合料集料颗粒分布状态分析

1.2.5沥青混合料渝渗模型分析

1.2.6设计沥青混合料的虚拟试验设计与智能化探讨

1.3本文的主要研究工作

第二章应用数字图像技术获取颗粒信息

2.1数字图像技术简介

2.2沥青混合料剖面颗粒信息获取

2.3颗粒数量统计与分类

2.4集料颗粒形态特征信息获取

2.5本章小结

第三章集料颗粒形状特征分析

3.1获取集料的形状参数

3.2投影图像法与手工法结果比较

3.3颗粒形状的影响因素分析

3.3.1碎石加工工艺对形状的影响

3.3.2石质对碎石形状的影响

3.4颗粒形状对稳定性的影响

3.5本章小结

第四章集料颗粒棱角性特征分析

4.1集料颗粒棱角性分析

4.1.1梯度法

4.1.2半径法

4.1.3外轮廓线跟踪法

4.2集料棱角性的影响因素分析

4.3棱角性对稳定性的影响

4.4本章小结

第五章集料颗粒表面纹理特征分析

5.1表面纹理图像分析

5.1.1图像腐蚀-膨胀法

5.1.2小波理论法

5.2表面纹理对HMA性能的影响

5.3本章小结

第六章集料颗粒形态的分形分析

6.1分形的定义

6.2分形几何学的基本概念

6.2.1分形几何学概述

6.2.2分形几何学的应用

6.2.3分形维数的定义和估计

6.2.4严格分形与统计分形

6.2.5不规则分形维数的测定

6.3沥青混合料颗粒分形特征分析

6.3.1路用碎石集料颗粒投影图像的分形特性分析

6.3.2沥青混合料剖面集料颗粒数字图像的分形特性

6.4本章小结

第七章沥青混合料剖面颗粒分布

7.1沥青混合料颗粒离析分析

7.1.1颗粒离析量化

7.1.2离析对颗粒分布分析的影响

7.2沥青混合料颗粒取向分析

7.2.1颗粒取向量化

7.2.2室内不同成型方式下的颗粒取向分析

7.2.3现场不同压实工艺下的颗粒取向分析

7.2.4抗车辙能力与颗粒取向的相关性分析

7.3沥青混合料颗粒接触分析

7.3.1颗粒接触量化

7.3.2颗粒接触状态对稳定性的影响

7.4本章小结

第八章沥青混合料虚拟力学计算

8.1虚拟力学试验步骤

8.2 PFC2D软件计算原理与方法

8.2.1计算原理

8.2.2使用方法

8.3 CAVF法设计沥青混合料

8.4沥青混合料级配组成的渝渗特征

8.5沥青混合料的虚拟力学计算

8.5.1级配组成虚拟

8.5.2集料形态与颗粒接触虚拟

8.5.3集料颗粒分布虚拟

8.6本章小结

结论及进一步研究方向展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢