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

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1、华南理工大学博士学位论文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姓名：谭积青申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：张肖宁20061101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

2、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：l、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

3、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

4、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

5、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PFC20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

6、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。关键词：沥青混合料级配组成；虚拟力学试验；集料形态与几何分形特征；集料颗粒分布；级配组成的渝渗特征ⅡAbstractCuncmgradationcomposingdesignmethodonasphaltmixturehasbeentraditionaryexpcriment-abservationmethod,whichthequantificationalanalysistomechanicscharacterofmicrocosmicst

7、nlctureusingadvancedmeanssuchascalculation,mechanicsanalysistools，Wasneccssaryforunderstandingmechanicsmechanismofasphaltmixtureaswellimprovingthedesignmethod．Theresearchsuchasdigitalimagetechnique,dummymechanicscalculationsottware，fractaltheory，hadbeenfastdevelopin