基于图像技术的沥青混合料细观结构研究进展

设计沥青混合料多依据沥青混合料的宏观品质,而沥青混合料的细观结构对宏观性能有着重要影响,基于图像技术的细观研究可深入地解释沥青混合料的路用表现。介绍了数字图像处理技术的定义及利用X-ray CT无损技术获取沥青混合料内部结构的方法,并综述了利用数字图像技术分析沥青混合料内部结构特性,包括集料形状、分布、接触性能及空隙等方面的研究,表明了图像技术研究沥青混合料的可行性。同时,还简要介绍了基于图像处理的沥青混合料细观结构的数值模拟方法,主要讨论了离散元方法和有限元方法的特点。最后提出了目前研究中的几点不足,并展望了沥青混合料细观结构未来的研究方向,为今后沥青混合料的研究提供参考。     

沥青混合料的细观结构分析软件MASAC指标体系

基于图像处理算法研究的基础上,编制适用Windows系统的用于专门进行沥青混合料的细观结构分析软件MASAC。主要阐述沥青混合料的细观结构分析软件MASAC指标体系,并对部分指标的功能进行简单的介绍。该指标体系分成5大类,即：集料颗粒的形状、集料颗粒的排列方式、集料颗粒的接触关系、集料间孔隙以及集料的分布状态。在对细观结构分析的基础上,可以研究沥青混合料细观结构与宏观性能的内在联系,评价沥青混合料均匀性好坏。     

基于离散元的沥青混合料细观力学研究进展

介绍了离散元在沥青混合料细观力学研究方面的最新进展,具体阐述了沥青混合料离散元建模方法,并根据目前研究的不足之处,预测了基于离散元的混合料细观力学的发展方向,以期促进基于离散元的混合料细观力学研究。     

基于体视学理论的沥青混合料细观计算的降维方法研究

为了提高沥青混合料细观计算的效率与准确性,同时为沥青混合料细观仿真模型提供理论支撑,针对沥青混合料细观计算的降维方法开展研究。采用X射线CT技术获取沥青混合料的三维图像并提取其二维图像信息;通过图像处理技术统计计算沥青混合料细观结构信息,基于体视学理论和图像的空间特征,建立沥青混合料二维与三维级配组成上的数学关系;考虑沥青混合料的黏弹特性,建立基于内聚力模型的细观结构模型,结合低温小梁弯曲试验进一步验证降维计算所需最小图像张数。结果表明：体视学算法结合图像空间提取方法可以有效降低二维替代三维图像信息的有效图像张数;考虑级配信息和断裂性能验证最小有效图像张数均为5张。     

胶粉改性沥青混合料细观结构的力学性能研究

通过室内试验分析了胶粉改性沥青、SBS以及普通沥青混合料按照统一级配制成的混合料试件分组进行三点弯曲试验,每一种试件分别以3种加载速率进行加载,得出它们的变形、破坏应力及劲度模量来评价其抗拉裂性能,同时借助于图像分析技术,对胶粉改性沥青进行数值模拟,比较数值模拟的结果与室内试验的结果,为胶粉沥青混合料的细观结构力学性能打下基础。     

基于SCB试验的沥青混合料宏观断裂愈合性能研究

为了研究沥青混合料宏观断裂的自愈合性能,采用半圆弯曲(semi-circular bending,SCB)试验对70#基质沥青混合料和SBS改性沥青混合料进行了断裂-愈合-断裂试验,并将愈合前后加载试验的强度恢复率定义为愈合指数(healing index,HI),分析了愈合时间、愈合温度和压力对混合料自愈合性能的影响.结果表明:发生宏观断裂的沥青混合料在一定环境中愈合后,强度恢复率最高可达45%;温度升高、时间增长和施加压力对沥青混合料宏观可见裂缝的愈合具有一定促进作用,但并非温度越高、时间越长,其自愈合性能越好;最佳愈合温度与沥青软化点和沥青混合料种类有关;当温度不大于60℃时,施加外部压力对沥青混合料裂缝愈合具有显著改善作用,有围压试件获得的HI值最高可达无围压试件HI值的4.5倍;60℃时SBS改性沥青混合料的HI值是70#基质沥青混合料HI值的4倍;超过60℃后,施加压力对沥青混合料自愈合性能无显著改善,且不同沥青混合料愈合性能也无明显差异.     

灰关联方法确定沥青混合料矿料级配细观评价指标

为了确定沥青混合料矿料级配细观评价指标,采集了三种典型级配的切割断面图像,提取四种细观特征参数,对绘制的级配曲线和设计级配进行了灰关联分析。结果表明:平均直径级配曲线更能表征沥青混合料矿料级配组成。     

基于细观尺度沥青混合料二维建模方法及数值模拟

沥青混合料受非均匀性细观结构影响,其应力特性易发生变化为分析受细观结构影响的沥青混合料应力特性,本研究从细观尺度出发,结合室内劈裂试验结果,利用有限元软件建立二维数值模型分析沥青混合料的力学与损伤特性。结果表明：在沥青混合料疲劳损伤过程中,粗集料尖角附近应力集中现象明显,AC-13C数值模型应充分考虑2.36mm以上的粗集料,并在细观尺度上说明2.36mm作为AC-13C粗细集料分界线的可行性。     

基于耗散能评价沥青混合料的疲劳性能

疲劳开裂是由于交通荷载重复作用而导致破坏累积的过程,是沥青路面结构破坏的一种主要形式。弯曲疲劳发生的典型模式是:水平拉应变造成沥青混凝土层底部的微裂缝,然后经由重复荷载作用致使微裂缝向上发展,最终导致路面破坏。常用的沥青路面疲劳特性的研究方法有现象学法、断裂力学法和耗散能法。为用不同的耗散能统计指标评价沥青混合料的抗疲劳性能,笔者在不同的加载条件和作用环境下进行两点梁弯曲试验,同时研究了混合料的一些特性,包括劲度模量、耗散能、疲劳寿命和愈合效果。     

沥青面层双层摊铺混合料疲劳性能

双层摊铺技术使上中面层沥青混合料的摊铺与碾压过程合二为一,提高了沥青路面层间黏结效果和混合料层间的嵌挤咬合能力.通过系统试验,深入研究了双层摊铺和传统单层摊铺对沥青混合料弯曲疲劳性能的影响.研究表明:双层摊铺技术能使沥青上中面层形成一个整体的复合式路面结构,提高了沥青混合料的抗疲劳性能;在双层摊铺情况下,沥青混合料小梁的弯拉强度、弯拉应变和劲度模量分别较传统单层摊铺提高了28.3%,25.4%和2.2%.     

橡胶粉改性沥青混合料力学性能试验研究

通过小梁弯曲试验和半圆弯拉试验对胶粉改性沥青混合料的力学特性进行了研究,为其进一步的应用提供理论及试验依据。     

钢渣沥青混合料疲劳性能及改善机理

采用钢渣替代部分粗集料,制备了4种钢渣掺量的沥青混合料,并对其进行不同应变水平下的四点弯曲疲劳试验,分析钢渣掺量和应变水平对混合料疲劳性能的影响,以揭示疲劳性能改善机理.结果表明:随着钢渣掺量的增加,沥青混合料疲劳寿命呈先增加后降低的趋势,峰值出现在钢渣掺量为30%(质量分数)时;钢渣沥青混合料初始劲度模量和疲劳寿命均随着应变水平的增大而降低;疲劳损伤演化过程可分为失稳、平衡、失效3个发展阶段,疲劳失效劲度模量衰减比S_r/S_(50)小于50%,并随着应变水平的增大而逐渐减小;疲劳裂纹扩展主要发生在矿料-沥青界面处,且受应变水平影响较大;钢渣的化学性质和表面构造在改善界面相结构方面起到了交互黏附和嵌入锚固作用,用钢渣作为粗集料可显著提升沥青混合料的疲劳性能.     

沥青混合料自愈合特性四点弯曲疲劳试验研究

通过应变控制四点弯曲疲劳试验,变化加载频率分析沥青混合料的即时自愈合,变化愈合温度、时间、荷载和损伤程度分析沥青混合料的后期自愈合.结果表明:沥青混合料的即时自愈合伴随加载产生,愈合效果为SBS-AC13TB-AC13基质-AC13;愈合温度、时间、荷载对沥青混合料的后期愈合具有正面作用,而损伤程度具有负面作用;橡胶沥青混合料疲劳寿命对自愈合条件的依赖性小于SBS沥青混合料,对沥青用量变化敏感性低于SBS沥青混合料;橡胶沥青混合料的劲度模量恢复率大于疲劳寿命恢复率,且疲劳寿命恢复率的离散性较大,劲度模量恢复率的离散性较小.     

复杂环境因素影响下沥青混合料自愈合性能

通过半圆弯拉试验,以断裂能密度为愈合指标,分别研究了沥青种类、损伤程度、老化程度、愈合温度及愈合时间对沥青混合料自愈合性能的影响,并运用数字散斑技术对其损伤和自愈合过程进行了观测.结果表明:损伤程度对沥青混合料的自愈合能力影响最为显著;胶粉改性沥青混合料的自愈合效果最好;损伤程度和老化程度对自愈合能力起负面作用;当提高愈合温度时,沥青混合料的自愈合能力增强;随着愈合时间的增加,沥青混合料自愈合速度相对降低;基质沥青混合料经过短期老化后裂缝自愈合速度最快.     

基于数字图像处理的沥青混合料骨架研究

为了给抗车辙骨架密实型沥青混合料级配设计提供参考,基于数字图像处理技术,提出了一种能反映沥青混合料骨架状态且较为精确的VCA_(mix)(压实沥青混合料的粗集料骨架间隙率)计算方法以及骨架密实型沥青混合料骨架性能的评价指标,并对粗集料接触细观特性进行了分析.结果表明:面空隙率和接触点数量沿旋转压实试件高度的分布都不均匀,试件两端的面空隙率较大,接触点数量少,中间面空隙率较小,接触点数量多;考虑粗集料接触特性的VCA_(mix)(IMAGE)计算方法克服了经验法的误差,更加严格、合理,能更好地保证粗集料形成骨架;VCA_(mix)(IMAGE)、粗集料平均配位数与车辙深度之间有较好的相关关系,以VCA_(mix)(IMAGE)≤VCADRC(捣实状态下的粗集料松装间隙率)和粗集料平均配位数作为沥青混合料骨架性能的评价指标具有可行性.     

水泥乳化沥青混凝土细观损伤及微观性能

为了给水泥乳化沥青混凝土研究及应用提供技术支持,基于计算机断层成像(CT)技术及扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及热重(TG)等测试手段,对水泥乳化沥青混凝土的细观损伤规律及微观性能进行了试验研究.结果表明：连续加载过程中,水泥乳化沥青混凝土试件上部分断面的CT平均数变化较小,下部分变化较大、损伤严重.试件的破坏过程分为压密、扩容、裂纹扩展及破坏4个阶段,损伤过程表现出塑性特征,这源于水泥乳化沥青混凝土低强度、低弹模的力学性能.乳化沥青与黏土不参与水泥水化,破乳后的沥青包裹水泥颗粒,减缓了水泥早期水化速度;后期水化迅速,结构逐渐致密,部分沥青与Ca(OH)2,C3S,C2S及钙矾石等水化产物相互镶嵌.     

沥青品种对沥青混合料路用性能的影响

采用具有代表性的3种沥青和AC-13C级配矿质混合料拌制沥青混合料并进行了一系列室内试验研究。结果表明:TLA改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料都比普通沥青混合料具有更好的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。TLA改性沥青混合料比SBS改性沥青混合料具有更好的高温稳定性和水稳定性,但低温抗裂性略差一些。     

基于离散元法的多孔沥青混合料空隙衰变研究

为了研究加载后多孔沥青混合料的空隙衰变规律,使用离散元软件PFC2D生成了多孔沥青混合料的二维车辙板虚拟试件并模拟了车辙试验.在虚拟试件生成过程中采用了新的空隙生成算法,即按照空隙级配来模拟不规则多边形,将其投放在沥青砂浆内并删除后形成空隙.通过室内静态蠕变试验获取多孔沥青混合料的微观参数值,以此来设计虚拟车辙试验的加载方式、空隙信息提取算法,并将虚拟车辙试验结果与室内车辙试验结果进行对比,验证了虚拟车辙试验的可行性.虚拟试验结果表明:荷载越大,试件空隙衰变越明显;随着荷载作用时间的增长,试件空隙率持续衰减,但速率变缓,在混合料结构破坏之前存在趋于稳定的状态;环境温度对试件空隙率影响明显,随环境温度升高,空隙率的衰减呈现3阶段变化;试件初始空隙率为20%(体积分数)时,加载后其空隙率衰变值最小.     

高速公路沥青混合料级配和油石比变异性分析

级配和油石比是沥青混合料设计的重要控制指标。级配和油石比的变异性影响着沥青路面的路用性能。结合高速公路工程实际,通过对沥青混合料级配和油石比的变异性及其对路用性能影响的研究,分析了级配和油石比变异性产生的原因及两者之间的相关性,进而提出了控制变异性的措施。