基于沥青混凝土三维细观结构的路面性能及安全评估研究

发布时间：2019-09-25 12:07

【摘要】：沥青混凝土是由集料、孔隙及沥青砂浆组成的多相介质材料,其细观结构形态及分布的随机性导致了极其复杂的力学状况。对沥青混凝土损伤机理的深入研究及其相关性能的有效预测都需要以细观结构特征作为基础,并精确地考虑各细观结构的交互作用影响。传统研究大多将沥青混凝土视为均质体进行考虑,忽略了集料颗粒及孔隙对混凝土性能的敏感性影响,造成了理论研究与实际状况不符。本文采用高精度X-ray CT设备扫描并获取了沥青混凝土的断层图像数据,并结合数字图像处理、数值模拟及分形理论开展了考虑细观结构影响特征的宏观性能预测及破坏机理研究,并以三角模糊层次分析法构建了集料形貌、粒径及孔隙分布等细观结构因子对路面安全性能的综合影响权重。论文研究方法完善了细观尺度下沥青混凝土的性能分析体系,研究成果初步建立了细观结构对宏观性能的影响机理,也为优化细观结构材料设计以提高沥青混凝土路用性能提供了理论依据。首先,采用高分辨率X-ray CT设备获取了不同级配沥青混凝土破坏前后内部细观结构的数字灰度图像,根据灰度值分布的不均匀特性采用分区域最大类间方差法作为集料颗粒及孔隙的动态阈值计算技术,以二值化图像数据有效地表征了内部细观结构的形貌特征；基于逆向体视学理论及体素建模技术,建立三角面单元重构细观结构的空间模型,较好地还原了集料及孔隙等内部结构的实际细观形貌,并经过实体化处理后实现了三角面单元的数值有限元计算研究。其次,采用动态模量试验建立了不同温度及荷载作用频率下沥青砂浆的动态模量主曲线,以反向平滑及频率扩展处理后的数据推断了沥青砂浆在较宽频域范围内的粘弹性材料性能参数,并以多参数广义Maxwell模型为基础推导了沥青砂浆粘弹性能的Prony级数形式；验证了沥青混凝土细观结构空间数值模型的有效性,研究了集料及沥青砂浆的应力、应变场分布状况,提出了高温永久变形中沥青混凝土的分层特性,探索了各层次的弹性及蠕变应变发展规律。再次,在集料与孔隙结构二值化图像数据的基础上,采用Matlab编写相关图像处理程序分析了沥青混凝土压缩破坏及高温变形过程中细观结构的形貌及分布变化。以集料颗粒棱角、形状、粗集料含量、孔隙率、孔隙体积及孔隙分布等为研究对象,获得了各细观结构的位移、转动及形貌等特征量的变化规律,建立了沥青混凝土破坏及变形的细观因子敏感性影响,并结合直观的损伤状态可视化处理,确定了沥青混凝土内部材料体系的结构破坏的细观影响机理；此外,根据扫描图像数据特征,采用分形维数量化了不同集料颗粒的形貌复杂程度,提出集料体系权重维数概念用于预测沥青混凝土不同部位的初始孔隙率分布状态,并建立截面损伤指标DI用于评价不同截面在高温变形后的损伤率情况。最后,考虑到主观判断的模糊性,结合图像处理及数值研究成果以三角模糊函数层次分析法构建了沥青混凝土各细观结构因子与宏观性能间的相互关系,通过层次体系分析提出了针对路面安全性能的细观结构因子综合评价影响程度,初步建立了细观与宏观间的联系,为完善了沥青混凝土材料选配及设计提供了理论基础。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U414;U416.2

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