水泥稳定碎石材料细观结构及损伤影响研究

发布时间：2020-08-27 07:37

【摘要】：开裂一直被公认是半刚性基层材料的典型破坏形式,荷载是其结构损伤的最直接原因,水泥稳定碎石作为典型的半刚性基层材料之一,其在荷载作用下的破坏是材料内部微缺陷裂纹萌生、扩展、汇合贯通逐步损伤的结果。路面基层处于沥青面层之下,属于隐蔽性结构层,结构损伤过程观测相对困难,因此,长期以来一直存在材料和结构损伤状态及其参数与实际宏观表达指标偏差较大的问题,有必要完善试验支撑下的材料损伤认识。本文在总结国内外已有研究成果的基础上,针对半刚性基层材料损伤是一个小尺度、复杂的、过程化的变量的问题,从细观分析角度入手,以图像技术为手段,对水泥稳定碎石在荷载作用下的损伤演化过程进行分析。通过将图像处理技术和力学试验技术相结合的方法,建立水泥稳定碎石混合料细观结构指标体系,以混合料试件芯样的细观结构为研究对象,对混合料内部集料及孔洞分布进行分析,探讨细观结构对损伤的影响,具体为:首先,建立水泥稳定碎石混合料细观结构指标体系。根据细观结构分析的需要,采用自行编制的图像处理程序,对水泥稳定碎石混合料进行图像分析,提取混合料中集料形态、组成、结构指标以及孔洞分布在内的图像细观结构指标体系,并验证指标的灵敏性和有效性。其次,水泥稳定碎石材料CT扫描及加载试验设计。分析CT构成及成像原理,从工业CT射线能量,密度分辨率,探测器接收方式,图像重建算法四个方面对所用设备进行标定,客观评价所用CT设备性能及对水泥稳定碎石材料的扫描图像精度,明确水泥稳定碎石材料的图像符合问题分析要求。以4.75mm通过率为标准,筛选通过率分别为30%,35%,40%,45%和50%的五种级配,设计加载方案、荷载级位及采样位置,选定两种具有典型差异级配(4.75mm通过率为30%和45%)的水稳碎石混合料B1-N2、B2-N9进行加载-扫描试验,获得断层扫描图像,对现有图像阈值分割方法进行适用性分析,并采用环形改进大津法提升断层图像识别和分割的质量。然后,基于CT图像的水泥稳定碎石材料细观损伤演化分析。针对水泥稳定碎石混合料的二维CT断层图像,统计分析图像的孔隙细观结构分布特征,并结合分形理论,以差分盒维数方法为手段计算不同加载扫描阶段水泥稳定碎石CT扫描断层图像的分维数,分析图像损伤分维数与荷载的相关性,揭示材料损伤的细观演化过程。分析混合料骨架结构对材料性能的影响,分析图像尺度下粗集料的组成比例、集料间距、集料接触面积等体素数量与宏观力学指标相关性。初步验证,在无侧限的抗压强度下,颗粒数量与抗压强度之间存在一定负相关性;颗粒接触单元数与抗压强度同样成弱线形相关性。最后,准脆性材料的损伤破坏分析,提出准脆性材料损伤的增量递归指数模型,并以逐级荷载作用下B1-N2、B2-N9级配材料对模型进行验证,得出骨架-密实型的B2-N9试件破坏符合准脆性材料的损伤特征,即损伤存在门槛值,在门槛值之前,材料损伤并不明显,超过损伤门槛值后,材料存在加速损伤过程,符合脆性岩土类脆性损伤特点。但骨架型B1-N2混合料由于内部细观夹杂等原因,损伤模型不具备上述B2-N9模型描述特征。本文研究成果有助于深入了解半刚性基层的细观损伤性能,同时也是对半刚性基层材料现行设计指标的完善,具有重要的理论意义。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U414
【图文】：

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【参考文献】