基于数字图像处理技术的沥青混合料微观结构有限元分析

论述一种将沥青混合料微结构和其力学行为仿真联系在一起的方法.该方法利用数字图像处理技术将计算机断层扫描(CT)图像转换为数字格式,并与有限元建模结合,使得根据CT图像建立的有限元模型可以较真实地再现沥青混合料的微结构,进行有限元分析时可以充分考虑沥青混合料颗粒和微空隙分布非均匀特性.计算分析了各向异性和空隙分布对沥青混合料劈裂试验的影响,数值计算结果发现沥青混合料颗粒和空隙分布的非均匀性对拉应力分布影响极大.研究结果表明:采用基于CT图像处理技术的有限元模型进行沥青混合料粘弹特性的研究是可行的.     

基于数字图像处理和有限元建模方法的沥青混合料劈裂试验数值模拟

应用数字图像处理技术及工业CT扫描获得试件图像,结合有限元建模方法,建立了包含集料、空隙和胶浆在内的沥青混合料有限元模型,并模拟研究了沥青混合料劈裂试验。结果表明:通过定义应力集中因子,可用来描述沥青混合料内部应力的不均匀分布,级配类型、模量比、有无空隙及加载位置都对模拟结果有较大影响。采用DIP-FEM方法能够很好地将沥青混合料的微观结构和宏观力学性能结合起来。     

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.     

基于同种沥青不同级配的大空隙沥青混合料渗水性能试验与评价

通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验和渗水试验来评价基于同种沥青不同级配的大空隙沥青混合料的水稳定性、高温稳定性和渗水性能等,分析了大空隙沥青混合料路用性能渗水性能与级配、空隙率的之间关系,从而为大空隙沥青混合料提供设计依据.     

冻融循环对泡沫沥青再生混合料微观结构的影响

为了探究泡沫沥青冷再生混合料抗水损害能力的衰变情况,选取6种不同级配泡沫沥青冷再生混合料,采用劈裂强度试验及电子断层扫描试验,系统研究了不同冻融循环次数下混合料强度衰减特性、空隙级配及最可几孔径的变化规律.结果表明:随着冻融循环的增加,冷再生混合料的强度明显减小,微空隙显著减小,大空隙显著增加,空隙数目的变化直接影响到混合料的强度.电子断层扫描试验及劈裂强度试验结果表明:在总空隙率相同的条件下,微空隙越多混合料强度越高;大空隙越多混合料强度越低.以此为基础提出再生混合料内部空隙的3种分类:无害孔、少害孔及有害孔.前2次冻融循环对冷再生混合料最可几孔径影响最大.在相同的冻融次数下初始空隙率越大泡沫沥青冷再生混合料的最可几孔径越大.     

泡沫沥青冷再生混合料在道路大修工程中的应用研究

为了探究泡沫沥青冷再生混合料抗水损害能力的衰变情况,选取6种不同级配泡沫沥青冷再生混合料,采用劈裂强度试验及电子断层扫描试验,系统研究了不同冻融循环次数下混合料强度衰减特性、空隙级配及最可几孔径的变化规律.结果表明：随着冻融循环的增加,冷再生混合料的强度明显减小,微空隙显著减小,大空隙显著增加,空隙数目的变化直接影响到混合料的强度.电子断层扫描试验及劈裂强度试验结果表明：在总空隙率相同的条件下,微空隙越多混合料强度越高;大空隙越多混合料强度越低.以此为基础提出再生混合料内部空隙的3种分类：无害孔、少害孔及有害孔.前2次冻融循环对冷再生混合料最可几孔径影响最大.在相同的冻融次数下初始空隙率越大泡沫沥青冷再生混合料的最可几孔径越大.

     

含空隙沥青混凝土弹性模量预测的数值方法

含空隙沥青混凝土具有多尺度、多相特征,弹性模量是路面材料设计的重要力学参数之一。将解析解与数值解相结合,提出含空隙沥青混凝土弹性模量计算的两步法。首先构造出含空隙沥青砂浆的两相复合材料模型并给出其弹性模量的解析解。然后将含空隙沥青混凝土模拟成由骨料、界面和含空隙沥青砂浆所组成的三相复合材料,通过快速傅里叶变换获得弹性模量。该解的优点是考虑了骨料形状、界面和空隙水饱和度的影响。将数值模拟与试验结果对比,最大误差为4.54%,证实了该数值方法具有较高的精度。数值结果表明:沥青混凝土弹性模量随着界面厚度和空隙水饱和度的增大而增大,但随着粗骨料长细比的增大而减小。     

沥青混合料级配分形研究

分形理论作为一种非线性的研究方法,被应用到了许多领域,特别是在材料学方面应用广泛.沥青混合料存在着空隙、集料粒径以及级配等分形,对AC-13、SMA-13、SUPER-13 3种类型沥青混合料的级配分形和分维数范围进行研究.通过研究获得用分维数表征上述3种沥青混合料级配的结果,研究结果表明,分维数和级配的相关性很好,且可以通过维数值反映间断级配或连续级配的特征;可以通过分维数值的大小判定沥青混合料的级配组成,从而对沥青混合料拌合中对配合比控制和检验提供一种新的方法.     

沥青混合料劈裂强度影响因素数值模拟

为数值研究沥青混合料劈裂强度影响因素,基于三维离散元法与粘聚带模型,建立了沥青混合料劈裂试验微观力学模型,模拟不同集料级配在不同温度下沥青混合料劈裂强度,并通过室内试验进行验证。研究结果表明:基于粘聚带模型和三维离散元法所建立的沥青混合料劈裂试验微观力学模型可较地好模拟沥青混合料劈裂强度。集料级配和温度对沥青混合料劈裂强度有显著影响。相同温度下,随着集料公称最大粒径变大,集料级配变粗,沥青混合料劈裂强度而逐渐增大;相同集料公称最大粒径时沥青混合料劈裂强度随温度的升高而逐渐降低。     

改性多孔沥青混合料水稳定性与损伤规律

为了提高季冻区多孔沥青路面的使用质量、减轻路面冻融损伤,采用玻璃纤维、硅藻土与沥青路面旧料以改善多孔沥青混合料性能。分析不同材料掺量的多孔沥青混合料在冻融循环下的抗压强度、空隙率及应变变化,并考虑不同材料与不同材料掺量对多孔沥青混合料水稳定性的影响;基于损伤力学理论以抗压强度为指标表示强度率,研究改性多孔沥青混合料的冻融损伤演化规律;基于CT无损检测与数字图像处理技术,分析玻璃纤维多孔沥青混合料冻融前后空隙数量与空隙面积的变化规律。结果表明：混合料抗压强度随冻融循环次数的增加而降低,而空隙率与应变呈上升趋势;具有玻璃纤维掺量0.7%、沥青路面旧料掺量15%、硅藻土掺量25%和掺量15%沥青路面旧料及20%硅藻土的4种多孔沥青混合料水稳定性能最好,其中玻璃纤维的改性效果最佳;掺入玻璃纤维、15%掺量硅藻土与15%掺量沥青路面旧料能减轻多孔沥青混合料的冻融损伤,但硅藻土再生多孔沥青混合料损伤程度均较大,损伤前期强度较高,更适用于短时冻土区;与硅藻土再生多孔沥青混合料相比,玻璃纤维多孔沥青混合料、再生多孔沥青混合料与硅藻土多孔沥青混合料经历了长时间的快速损伤期、短时间的损伤稳定期与损伤发展期;玻璃纤维掺量较低的试样空隙数量增加,平均单个空隙面积减小,而掺量较高的试样表现相反。     

基于X-CT技术的多孔排水沥青混合料空隙竖向分布特性

采用X-CT技术、数字图像处理技术与分形理论相结合对多孔沥青混合料的空隙竖向分布特性进行了研究,结果表明:空隙特征图像可以定性描述多孔沥青混合料的连通情况和分布特性,多孔沥青混合料中没有面内连通情况;所研究的6个截面空隙率分布范围为17.7%~22.2%;不同截面的空隙数量最大相差16个,约占空隙总量的四分之一;空隙轮廓分维数均大于其相应的空隙面积分维数,且与空隙数量和空隙率无关。空隙级配图显示,同一试件内两个正交截面空隙的级配大多分布在4~8 mm内,但分布形态各异。经对比分析发现,横向空隙与竖向空隙除最大直径相差2 mm外,等效直径分布较为接近。     

集料有效密度及混合料合理体积参数计算方法研究

体积参数是沥青混合料设计的基础,但由于集料对沥青的吸收,使得最大理论密度既不能准确测量,又不能准确计算,从而影响了体积参数计算的准确性.提出了用沥青浸渍进行集料有效密度测定的试验方法.试验结果表明,对于改性沥青混合料,按照新颁布实施规范中的公式计算集料有效密度是不合理的,而用沥青浸渍法测量结果复现性好,对试验条件要求不高,试验人为因素影响小.用沥青浸渍法实测的集料有效密度能够计算得到沥青混合料最大理论密度的真值.对连续密级配沥青混合料试件空隙率组成进行了理论分析,提出合理的试件密度测定方法,并提出了沥青混合料体积参数计算公式.     

天然与再生集料透水混凝土对比试验

为了开发具有可接受的透水性和强度的透水混凝土,使用天然和再生集料,采用最佳的混合比例制备透水混凝土,对透水混凝土进行孔隙率、渗透系数、抗压及抗弯强度试验,研究了再生集料对总孔隙率、强度和渗透性的影响.同时,在混合料中引入了丁苯橡胶类可再分散性聚合物粉末(RPP)和胶乳(Latex)以提高其强度特性.试验结果表明:掺加再生集料的透水混凝土总孔隙率比采用天然集料的透水混凝土孔隙率要高;无论何种集料类别,聚合物改性剂的添加使得总孔隙率略有降低;使用再生集料透水混凝土的抗压强度低于使用天然集料的透水混凝土;然而,当使用聚合物改性剂时,采用天然和再生集料透水混凝土的抗压强度分别提高57%和79%;再生集料及最佳聚合物掺量的使用可以生产出具有足够排水和强度特性的透水混凝土.     

孔隙走向引起的大空隙沥青混合料渗水性能方向差异

为了分析大空隙沥青混合料中孔隙走向特征及其引起的渗水性能方向差异,采用X射线CT扫描4组不同空隙率的大空隙沥青混合料马歇尔试件,通过图像处理技术测试试件在径向和竖向截面内孔隙形状参数,分析混合料中竖向和径向孔隙的分布差异。对旋转压实成型的大空隙沥青混合料试件,沿着径向和竖向钻孔取芯,采用开发的渗水仪,测试芯样12个方向的渗水系数,分析旋转压实试件在径向平面内12个角度和竖向平面内12个角度上渗水系数的差异。结果表明,大空隙沥青混合料径向与竖向孔隙具有不同的分布特征,径向空隙率更大,孔径更均匀,单位截面上径向孔隙数量更多;大空隙沥青混合料的渗水系数存在明显的方向差异性,竖直平面内不同角度上渗水系数的差异高于水平面内,竖直平面内在越趋于水平的方向上渗水系数越大。     

Design method and performance for large stone porous asphalt mixtures

Design method for large stone porous asphalt mixtures (LSPM) was analyzed to avoid the early distresses of semi-rigid asphalt pavements. Based on stone-to-stone skeleton structure concept, processes of LSPM gradation design was given. The gradation composite design for LSPM shows that the LSPM nominal maximum size (NMS) should be larger than 26.5 mm, and the NMS sieve passing percentage should be greater than 50%. Through experiments and calculations on the volume properties of the aggregate, the range of aggregate gradation curve of LSPM was given. In terms of asphalt binder’s normalized test results, MAC-70 and SBS modified asphalt were selected as the asphalt binders. The applicability of large scale Marshall Method and gyratory compaction method to shape specimens was investigated. Based on the asphalt mixture performance evaluation, the optimum asphalt content range (3.1%–3.6%), the bitumen film’s thickness range (13–16 μm) and the air void range (135–18%) were recommended. Finally, LSPM was tested by the laboratory performance tests including rutting resistance test, fatigue test and water stability test. The theoretic and practical analysis shows that LSPM has a good performance on water permeability, rutting resistance and reflection crack resistance.     

Determination of permeability using fractal method for porous media

A theoretical formulation was developed to express permeability as a function of different fractal dimensions and other scales for porous media . The effective fractal void ratio, the spectral dimension and the fractal dimension of particle mass distribution were introduced. The permeabilities for different soils in China are calculated. The predicted permeability for rice soil was compared with the measured data available in literature.     

摊铺沥青路面集料均匀性数字图像评价方法

为了在沥青路面摊铺阶段对混合料均匀性进行实时评价,实时反馈、指导施工,减少离析现象,运用数字图像处理技术,通过对摊铺沥青混合料图像进行灰度化、滤波、图像二值化等图像预处理,并通过图像集料颗粒面积比验证预处理准确性;以图像中9.5 mm以上颗粒静矩标准差评价摊铺沥青混合料数字图像均匀性,通过计算施工现场采集的1 085张摊铺沥青混合料图像静矩标准差进行试验验证并提出数字图像摊铺沥青混合料均匀性评价指标.结果表明:数字图像处理技术预处理得到的图像中颗粒面积比值与按实际混合料配合比计算的面积比基本相符;通过min-max标准化后静矩标准差的值与对应图像进行对比分析,提出了均匀性评价指标,为摊铺沥青混合料离析检测提供一种新方法.