基于室内试验的微波加热和冷却过程中钢渣透水沥青混合料温度分布研究

微波加热是一种潜在的促进沥青路面微裂纹自愈合、提升沥青路面耐久性能的有效手段。作者采用钢渣等体积替换粒径为4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm粗集料,基于化学共沉淀法得到改性钢渣集料以进一步增强钢渣微波吸收能力,研究钢渣透水沥青混合料在微波加热和冷却过程中试件表面和内部温度分布规律和变化速率,并将改性钢渣粗集料试件(PAC-MS)的温度分布结果与普通钢渣粗集料试件(PAC-US)、玄武岩集料试件(PAC-B)的结果对比分析。研究结果表明：沥青混合料试件在加热过程中温度呈线性变化,并且试件内部平均升温速率高于表面平均升温速率;加热过程中PAC-MS表面平均升温速率、内部平均升温速率高于PAC-US和PAC-B;冷却过程的温度呈非线性变化,并且在初始冷却阶段降温速率很大,而后逐渐变缓趋于水平。     

基于灰熵法的粗集料间隙率影响因素分析

为了对骨架沥青混合料的嵌挤骨架特性进行深入研究,采取粗集料的骨架间隙率作为评价沥青混合料潜在骨架特性的指标。试验采用粒径范围为4.75～16mm的粗集料进行分析,通过调整粗集料中各粒径组比例,结合集料干捣试验,计算粗集料的间隙率,并运用灰熵法理论计算分析了各粒径组比例对粗集料间隙率的影响,找出影响粗集料间隙率的显著因素。结果表明,各粒径组对粗集料骨架间隙率的影响为:9.5～13.2mm粒径组集料对粗集料骨架间隙率影响显著,13.2～16mm粒径组集料影响次之,4.75～9.5mm粒径组集料影响最小。     

钢渣OGFC-13型排水沥青混合料的配合比设计及性能研究

以钢渣为粗集料、石灰岩为细集料、矿粉为填料、SBS改性沥青为结合料配制OGFC-13型开级配钢渣排水沥青混合料,其配合比为m（（13.2~19）mm钢渣）∶m（（9.5~13.2）mm钢渣）∶m（（4.75~9.5）mm钢渣）∶m（（0~4.75）mm石灰岩）∶m（矿粉）=13∶28∶45∶13∶1,最佳油石比为4.5%,聚脂纤维用量为0.3%。该沥青混合料的钢渣用量高达86%,且不用提高改性沥青和纤维用量,有利于钢渣的综合利用,节约道路建设成本。通过马歇尔稳定度、冻融劈裂强度和车辙试验得出,该沥青混合料的马歇尔稳定度为9.8kN,劈裂强度比为89.8%,动稳定度为5753次/mm,均优于技术规范要求。该沥青混合料的渗水系数为37.0mL/s,摩擦系数（BPN值）为70.7,表明其渗水能力很强,抗滑性能优良。     

基于离散元方法的沥青混凝土断裂机理分析

为了从细观角度深入分析沥青混凝土的断裂机理,根据概率理论,建立了集料质量级配与二维数量级配的关系,并通过计算机随机投放技术生成了具有2种不同沥青膜厚度的沥青混合料二维数字试件;利用离散元方法,模拟了沥青混合料小梁试件的断裂过程,分析了沥青砂浆抗拉强度、砂浆与集料黏结强度和沥青膜厚度对沥青混合料断裂过程的影响.结果表明:对于沥青膜较厚的沥青混合料而言,起裂阶段和扩展阶段的裂纹主要出现在沥青砂浆中,沥青砂浆的抗拉强度是影响混合料断裂的主要因素;当沥青膜较薄时,起裂和扩展阶段的裂纹在沥青砂浆内部和砂浆与集料界面中都有发现,砂浆抗拉强度决定着混合料的破坏应力和应变,砂浆与集料的黏结强度决定着混合料裂纹扩展的速率.     

橡胶沥青砂浆对混合料的动态模量影响

为研究橡胶沥青砂浆对混合料的动态模量影响,采用旋转剪切压实试验,通过逐级填充粗集料测定骨架间隙率,分别取最小骨架间隙体积的0. 85、1. 00和1. 10倍,添加质量分数为30%的胶粉改性沥青砂浆,组成沥青混合料,通过旋转剪切压实试验制备动态模量试件,通过沥青混合料性能试验测定动态模量.研究表明,橡胶沥青砂浆对混合料的动态模量影响显著,在相同的试验温度和加载频率下,随着沥青砂浆的增加,动态模量呈增大趋势.西格摩德(Sigmoidal)数学模型能较好地拟合混合料的动态模量主曲线,粗集料、沥青砂浆和空隙的填充率拟合相关性分别为0. 998、0. 989和0. 985.     

基于离散元理论的OGFC矿料级配设计

提出开级配沥青磨耗层(open graded friction courses,OGFC)混合料矿料级配设计应针对粗细集料在混合料中所起的作用不同进行分别设计的理念.提出基于离散元理论和试验相结合的OGFC混合料粗集料级配设计的新方法:以4.75 mm筛孔通过率作为粗集料级配控制点,根据离散元理论计算粗集料中各粒径最优体积分数,通过粗集料的干捣试验进行VCAmin的验证,根据粗集料空隙率和设计空隙率的要求,确定粗集料的级配.采用N法进行OGFC混合料的细集料级配设计,为了满足设计空隙率的要求,在细集料设计中要求2.36～4.75 mm的质量分数不超过5%.在研究粗集料和细集料级配设计的基础之上给出了OGFC矿料新的级配范围.     

用数字图像处理技术评价沥青混合料均匀性

用数字图像处理技术获得试件截面图像,通过集料的分布状态研究了沥青混合料的均匀性。研究结果表明,使用彩色石料区分粗、细集料,并利用彩色阈值直接分割图像,可以消除在试件截面剖分过程中颗粒位置的随机分布造成的影响;选取5种典型的沥青混合料级配,采用颗粒面积比的变异系数作为均匀性评价指标,能够定量评价沥青混合料的均匀性;对各级配的均匀性指标与各档粗集料分计筛余百分率进行线性回归,其复相关系数为0.976。     

沥青混凝土中粗集料形貌特征分析

为分析沥青混凝土中粗集料形貌特征,了解其对沥青混合料性能的影响.利用工业CT对不同级配沥青混凝土断面进行扫描,用图像处理技术和统计学方法从扫描图像中获取粗集料的形貌参数,分析粗集料级配对形貌参数的影响.结果表明:CT扫描结合图像处理技术可准确获取沥青混凝土中粗集料形貌参数;粗集料颗粒的纵横比AR_1和AR_2和棱角性的累积分布概率服从三参数威博尔分布;轮廓分形维数、纵/横向趋向参数、纵向偏角均值以及面积参数对粗集料级配的变化表现敏感;而纵/横向趋向参数、纵向偏角均值、轮廓分形维数、棱角性和面积参数,能够显著表征4.75 mm粒径集料的通过率变化.     

基于BP神经网络的沥青混合料级配检测研究

为了准确、简便检测沥青混合料的设计级配,基于图像处理,通过改进电子筛分方式,将集料颗粒的平面形状分为三类分别进行统计,得到沥青混合料的平面级配,然后使用BP神经网络对沥青混合料的设计级配进行检测,以不同粒径粗集料的平面级配作为输入层,以不同粒径粗集料的设计级配作为输出层,对200组归一化处理后的平面级配进行神经网络训练和测试。结果表明:改进后的电子筛分方式较直接使用等效直径法和等效椭圆短轴法检测沥青混合料级配具有更高的正确率;使用BP神经网络对设计级配进行检测,各粒径的平均正确率分别为88.1%(4.75 mm),91.2%(9.5 mm),93.8%(13.2 mm),95.1%(16 mm),100%(19 mm),平面级配与设计级配的相关性较好。该方法为沥青混合料的级配检测提供了一种新思路。     

915 MHz微波在沥青路面再生加热中的应用

为验证915 MHz微波频率用于沥青路面再生加热的可行性,在分析微波加热机理的基础上,设计了喇叭天线参数并对其进行了优化,采用CST仿真软件,进行了915 MHz与2 450 MHz两种微波频率下单天线与阵列天线对沥青混合料的加热效果对比,同时对不同天线间距、加热高度、混合料厚度等对加热效果的影响因素进行了仿真分析。结果表明：915 MHz微波频率加热沥青混合料具有更好的均匀性与深度方向上更小的温度梯度;改变天线间距、加热高度和混合料厚度,会导致加热箱内微波相互干涉现象发生变化,进而对加热效果产生影响,当混合料厚度为250 mm,天线间距为70 mm×70 mm,加热高度为70 mm,此时加热效果最好,混合料温度均值最高,且离散系数最低,温度均匀性好,沥青老化现象较少。对于大型微波再生加热设备,由于其要求加热厚度大、产量高,采用915 MHz更为合适。     

多孔沥青混合料PAC-13空隙率预估模型

基于多孔沥青混合料的室内试验结果,分析了关键筛孔通过率和关键集料含量对PAC-13空隙率的影响规律,根据分析结果,选取4.75mm、2.36mm和0.075mm筛孔通过率以及1.18～2.36mm集料含量作为模型参数,采用多元线性回归方法建立PAC-13空隙率预估模型。结果表明,多孔沥青混合料PAC-13中,2.36mm和4.75mm的筛孔通过率以及粒径为1.18～2.36mm的颗粒含量同空隙率呈线性负相关;根据所选的4个参数建立的空隙率预估模型具有良好的拟合效果;沥青用量或油石比也会影响多孔沥青混合料空隙率大小,油石比每提高0.5%,空隙率降低约1.1%。     

新型橡胶粉和抗车辙剂复合改性沥青混合料级配优化

新型橡胶粉和抗车辙剂改性沥青混合料路面高低温性能稳定,为优化其级配设计并提高路用性能,采用均匀设计法和正交设计法分别确定粗细集料关键粒径的筛孔通过率,对试验数据进行回归分析,通过综合粗细集料级配优化结果确定混合料集料总体最优级配,并通过分析优化级配下的高低温性能指标验证级配的适用性.试验结果表明,混合料嵌挤形成最优骨架结构时,粗集料最大含量占65%;能显著影响混合料高低温性能的因素是粗集料4.75 mm筛孔通过率、2.36 mm细集料筛孔通过率及油石比;建议混合料关键粒径16～13.2、13.2～9.5、9.5～4.75、4.75～2.36、2.36～0.3、0.3～0.075 mm的筛孔通过率分别为95%、67%、32%、20%、13.5%、5%,并给出建议的油石比为4.7%,最后给出了优化级配范围.     

沥青混合料旋转压实效果的数字图像分析

针对旋转压实法，利用不同压实功作用成型试件模拟压实过程，采用数字图像处理技术，研究沥青混合料的压实成型特性，提出了以集料颗粒的取向特性描述沥青混合料的稳定性，以集料颗粒的分布特性来反映混合料的密实程度，定义了集料颗粒主轴方向、沥青砂胶膜厚及颗粒面积比等参数来进行评价。实验表明效果良好。     

沥青混合料集料接触特性切片图像评价方法

为了评价沥青混合料集料的接触特性,提出了一种较能准确有效评价沥青混合料集料接触特性的新方法。研究中建立了表征集料接触特性的量化指标——接触对,以AC20型沥青混合料为例,对车辙板试件的72幅切片图像进行了分析,通过对所有切片的集料接触数据进行统计分析,得到了集料接触对数目的分布规律。在此基础上,还进行了集料接触特性的影响因素分析,并提出了影响集料接触特性的3个主要因子：4．75mm以上集料含量C〉4.75、细度指数FI和离析指数SI。结果表明这3个因子与集料接触对之间有较好的关联度,集料接触特性变化受3个因子共同作用的影响,单因素或双因素都不能正确反映样本的接触对数目。     

基于微观力学的沥青混合料黏弹性预测

利用微观力学和逾渗理论预测了沥青混合料的黏弹性能。将沥青混合料看作刚性粗集料颗粒夹杂于黏弹性沥青砂浆基体内的复合材料,在Laplace空间域内利用Mori-Tanaka等效夹杂理论和宏观平均理论,建立了从沥青砂浆黏弹性预报沥青混合料黏弹性的模型。基于逾渗理论修正了模型中的参数,并与静态蠕变试验结果进行了对比。结果发现:粗集料对黏弹性沥青基体性能具有增强作用,沥青混合料黏弹本构方程可以表示为粗集料增强系数与沥青基体黏弹本构方程的乘积形式。微观力学预测的增强系数较试验值偏小,误差分析发现,产生偏差的主要原因是Mori-Tanaka方法考虑集料间相互作用较弱,当粗集料体积分数较大时,预测模型精度下降。通过逾渗理论对粗集料体积分数修正后的结果与试验值较吻合。     

基于离散元法的沥青混合料细观特性分析

为了从细观上模拟分析沥青混合料车辙的形成和发展机理,以双层车辙试件为研究对象,采用PFC2D,建立上层为SMA-13,下层为AC-20,包含粗集料、沥青砂浆和空隙的二维离散元模型,研究了试件内部接触力的分布与大小、集料的空间运动轨迹对车辙形成的影响;分析了不同工况下车辙试件内部接触力大小分布和空间运动轨迹,结果表明:SMA-13主要承受压应力作用,拉应力主要分布在AC-20面层,且更容易导致试件发生破坏,加载2h时,AC-20拉应力较1h时增大3~4个数量级;SMA-13级配骨架性好,在荷载作用下主要发生水平运动,AC-20级配骨架性较弱,集料、砂浆易发生垂直运动,导致车辙形成.     

基于离散元法的空隙特征对沥青混合料虚拟剪切疲劳寿命的影响

基于图像技术和三维离散元法,建立了具有真实空隙大小和分布以及随机空隙大小和分布的沥青混合料剪切疲劳微观力学模型,通过模拟不同集料粒径、用油量以及温度下的沥青混合料剪切疲劳寿命,研究了空隙分布特征对沥青混合料虚拟剪切疲劳寿命的影响,并将部分模拟结果与试验结果进行对比。结果表明:基于三维离散元法可以模拟沥青混合料剪切疲劳寿命,空隙特征对沥青混合料虚拟剪切疲劳寿命有较大影响。在相同模型参数条件下,具有真实空隙大小和分布的沥青混合料剪切疲劳寿命小于具有随机空隙大小和分布的沥青混合料剪切疲劳寿命,但与试验结果更为接近。此外,集料粒径和用油量也对沥青混合料剪切疲劳寿命有着显著影响。沥青混合料剪切疲劳寿命随集料粒径的增大而提高;在相同集料级配和试验温度时,在最佳用油量条件下的沥青混合料剪切疲劳寿命最大;在相同的集料级配和用油量时,沥青混合料剪切疲劳寿命随温度的升高而降低。     

细观尺度下大孔隙环氧沥青混合料损伤演化分析

通过数字图像技术获取了大孔隙环氧沥青混合料的多相细观结构,建立了包含集料、沥青砂浆、空隙在内的细观结构有限元仿真模型,引入了内聚力模型,通过劈裂试验数值模拟,对内部结构应力响应、裂纹扩展及损伤演化过程进行了分析.研究结果表明:空隙、集料等细观结构的不均匀分布,对混合料的应力响应及其分布均造成一定影响;劈裂试验模拟过程中,损伤变量D值达到1时,试件开始启裂,预设内聚力单元模拟的启裂位置与室内试验观察较为一致,而后裂缝开始扩展,但扩展速率逐渐变小;双线性内聚力模型较好地模拟了混合料损伤规律与裂纹启裂、扩展路径.     

钢渣粉基沥青混合料的性能评价与提升机理

针对沥青混合料在服役阶段的水损害和疲劳开裂等病害,采用钢渣粉和钢渣集料分别替代矿粉和天然集料制备性能优异的沥青混合料,评价静水和水敏感性测试仪(moisture induced stress tester, MIST)模拟动水环境下的水敏感性、疲劳耐久性能和高低温性能。分析钢渣粉的化学组成、矿物组分、微观形貌和粒径分布并揭示对混合料性能提升机理。结果表明:与矿粉对照组相比,钢渣粉沥青混合料具有更优的抗动水损害性能和长期抗冻融损害能力。钢渣粉的加入可增大沥青混合料的动稳定度、弯拉应变和疲劳寿命,改善高温稳定性、低温抗裂性和疲劳抵抗能力。钢渣粉和钢渣集料均可提升混合料的性能指标,且两者复掺时提升效果更显著。钢渣粉中含有的碱性和弱水化活性的硅酸二钙矿物组分能有效提升与沥青的吸附性和化学键结合力,增强集料和沥青间的黏结强度。钢渣粉颗粒表面的微米级孔隙和絮状结构是沥青混合料的高温抗变形性能和耐久性增强的重要因素。     

排水性沥青混合料（OGFC-13）配合比设计

以常州市武进区环湖东路工程中机动车道所使用的排水性沥青混合料（ OGFC-13）为例,重点探究了排水性沥青混合料（ OGFC-13）中高黏沥青、集料等原材料选择的重要性以及配合比设计的主要试验步骤。确定本次配合比为1＃料（9.5～13.2 mm）∶2＃料（4.75～9.5 mm）∶3＃料（2.36～4.75 mm）∶4＃料（0～2.36 mm）∶矿粉＝43∶39∶0∶14.5∶3.5,聚酯纤维用量为混合料的0.25％,最佳油石比为5.4％。这种沥青混合料具有排水及时性、抗滑优越性、降噪显著性等特点。