基于细观力学性能的功能型沥青混合料研究

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1、基于细观力学性能的功能型沥青混合料研究第一章绪论1.1研究背景和意义随着我国在交通基础设施建设的大力投入，高等级公路里程逐年增加。沥青路面作为一种无接缝和连续的路面结构形式,具有行车舒适性良好，扬尘和噪音小，便于碾压施工等众多优点，被广泛应用于道路建设，是目前高等级路面面层结构的首选形式，长期以来对沥青混合料工程性能的研究和改善也是国内外普遍关注的研究热点和难点[1,2,3,4]。但是，工程实践发现即使严格按照规范规定的设计方法来设计沥青路面，且各项性能指标均满足规范要求，所铺筑沥青路面的使用性能仍不尽如人意，相当数量已建的沥青路面高速公路都不同程度出现了早期功能性的破坏，如车辙

2、、水损坏，以及疲劳破坏等。大多数的沥青路面的实际使用寿命远远没有达到其设计寿命，在通车早期就不得不进行大修，甚至重建。造成沥青路面的实际使用性能达不到预期目的的原因很多，比如气候环境恶劣、超载现象严重、沥青混合料设计和施工的缺陷等。大规模、高频率的早期损坏现象不但降低了沥青路面使用寿命，增加了建设和养护成本，而且给社会和经济的和谐发展造成非常大的影响。导致沥青路面出现早期损坏的原因之一就是沥青混合料设计方法的问题。目前沥青混合料设计方法更多的遵循性能权衡设计原则，即兼顾考虑多种路用功能设计，这造成对每一种路用功能的设计都不彻底。而功能型沥青混合料设计方法在一定程度上与原先诸多沥青

3、混合料设计方法都有所区别，这种设计方法突破了遵循性能权衡设计原则，更强调功能的针对性设计，针对路面使用需求进行功能型沥青混合料的设计。功能型路面最初可追溯至上世纪九十年代末美国沥青路面协会（APA）提出的永久式路面的基本理念（PerpetualPavement）[5]。所谓永久式路面是指，所有可能的路面损坏通常都发生在表面层，仅通过简单的面层维修或更换，使路面结构的使用寿命达到40~50年。永久性沥青路面的意义不仅仅在于概念本身，更重要的是间接提出了沥青混合料的结构功能要求。这个理念给我们许多有价值的启示，其中之一就是为了实现路面的长寿命，需对路面各结构层进行力学分析，并根据各结

4、构层的受力状态，按结构的功能要求设计出具有不同力学功能要求的沥青混合料，如图1-1所示。也就是说长寿命的沥青路面需要合适的结构以及功能型的沥青混合料，需要开发功能型的沥青混合料，从而能够充分发挥沥青混合料不同的功能要求。1.2国内外研究现状目前，国内外学者对沥青混合料细观结构及其细观力学行为的研究主要有以下三种方法。一是从复合材料细观力学理论出发，研究沥青混合料各组分材料细观特征对其宏观力学性能的影响，并建立相应的定量关系[7,8,9,10]。现有较成熟的理论有自洽理论[11]、Mori-Tanaka方法[12]、Eshelby等效夹杂理论[13,14]，以及微分介质方法[15]

5、等。二是利用数字图像处理技术，采用CCD数码相机拍照或X-rayCT无损伤扫描这两种方法采集沥青混合料的切片图像并进行一系列处理，获取混合料内部结构组成以及细观特性信息等。还有一种就是数值分析方法，借助有限元、离散元等方法进行数值模拟和分析。综合分析现有研究成果表明，由于分析模型与沥青混合料真实结构等多方面差异的原因，不论采用何种复合材料细观力学模型都难以准确预测沥青混合料的细观力学行为，需要借助其它理论对预测结果进行修正，才能使预测值和试验值相接近。数字图像处理技术和数值分析可反映沥青混合料的不连续性和不均匀性，对沥青混合料细观结构的分析有着直观方便、信息量大，能够克服传统试验

6、的不足等优势，因而得到许多道路工的关注并不断取得新的研究进展。.第二章沥青混合料细观结构研究方法2.1数字图像处理技术简介数字图像处理技术的原理是经抽样和离散化过程将真实世界的图像信息转换为数字图像，并借助计算机对数字图像进行特定的处理与分析。由实际物体的真实影像获取数字图像需经历两个基本步骤，先通过光学及电子器件图像采集系统获得物体真实影像的传感数据，并将数据进行统一量化，随后则是将量化的数字图像进行数学表达与存储，使其能够被还原以及进行数学处理。数字图像一般分为彩色、灰度以及二值化图像等几种，对于常用的灰度图像，每个像素点亮度取值区间为[0,255]，其中0代表黑色，255代

7、表白色。数字图像的信息经处理后被量化并存储在一个二维矩阵中，见图2-1[80]。随着计算机应用与摄像技术的快速发展，数字图像处理与分析逐渐在很多学科领域得到了广泛应用。在道路材料领域，应用数字图像处理技术能够精确描述混合料内部结构特征，如集料颗粒形态特性、集料和空隙的在混合料内部的分布特性，以及对沥青混合料进行三维重构，进行虚拟力学模拟和数值试验，从而更深入地了解沥青混合料的内部结构和力学性能。国外较早应用数字图像技术对沥青混合料进行研究，如MasadE、ora、吴文亮等[30,