多孔排水沥青混合料空隙精细描述与分布特性研究

论文摘要

本论文是在国家自然科学基金项目(资助编号:50608006)与交通部交通应用基础研究项目(资助编号:2006 319 812 120)的共同资助下完成的。众所周知,沥青混合料由集料、沥青、与不同尺寸和形状的空隙组成,混合料的路用性能不仅受到VV、VMA、VCA等体积因素的影响,且与这些组成要素的大小和空间特性相关,传统的体积设计方法和参数并不能全面反映混合料的所有空隙信息。因此,本文选用空隙率较大的多孔排水沥青混合料作为载体,采用计算机层析扫描技术、数字图像处理技术和分形理论对其空隙空间信息进行深入研究,以揭示其对混合料性能的影响。论文采用空隙率、空隙等效直径、空隙轮廓分维数与空隙面积分维数等参数分析了多孔排水沥青混合料中空隙在横向、竖向及空间的分布特性及规律,发现空隙轮廓分维数总是大于空隙面积分维数;空隙等效直径主要分布在3mm～9mm之间,其平均值位于3mm～5mm之间;并建立了多孔排水沥青混合料的空隙级配图;还发现混合料试件横向空隙率大于竖向空隙率,且横向的空隙平均等效直径都大于竖向空隙平均等效直径,由此得出沥青混合料横向排水能力大于竖向排水能力的结论。同时,论文从矿料级配、压实功、压实方法三个方面分析了其对沥青混合料空隙分布特性的影响,提出了采用空隙率纵向分布标准差作为判别沥青混合料离析的评价指标。通过采用不同的击实次数来分析压实功对沥青混合料空隙分布的影响,发现沥青混合料试件在双面击实50次的基础上,再增加击实次数对混合料空隙率影响不大,但是空隙大小分布更加均匀。采用击实法与碾压法两种沥青混合料成型方法的对比试验发现,击实方法制作的试件比碾压成型方法制作的试件,其内部空隙的分布更加均匀。此外,论文采用分形理论与劈裂抗拉强度试验,建立了空隙率与空隙轮廓分维数的关联方程,发现空隙轮廓分维数随着空隙率的增大而减少;还建立了空隙轮廓分维数与劈裂抗拉强度的关系式,发现沥青混合料劈裂抗拉强度随着空隙轮廓分维数的增加而增大,且可以采用上述关系式相互验证其正确性。另外,还可以采用空隙轮廓分维数来解释沥青混合料试件在材料组成与空隙率一致的情况下,强度不一样的深层原因。此外,论文通过轮辙试验对多孔排水沥青混合料空隙衰变行为进行了探索,发现车辙板试件碾压后空隙率与空隙等效直径都比碾压前要小;且碾压后空隙轮廓分维数和面积分维数都比碾压前要大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外关于空隙问题的最新研究进展
• 1.2.2 沥青混合料空隙模型的研究进展
• 1.2.3 沥青混合料空隙率影响因素的研究进展
• 1.2.4 空隙率对沥青混和料技术性能的影响研究进展
• 1.2.5 空隙在边缘学科中的研究进展
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 第二章 多孔排水沥青路面空隙信息获取方法
• 2.1 多孔排水沥青路面空隙空间分布描述的数学方法
• 2.1.1 经典的统计学方法
• 2.1.2 拓扑学方法
• 2.1.3 分形几何方法
• 2.1.4 重正化群方法
• 2.1.5 谱密度方法
• 2.2 多孔排水沥青路面空隙空间分布描述的试验方法
• 2.2.1 压汞法
• 2.2.2 气体吸附法
• 2.2.3 X 射线层析摄像（照相）法
• 2.2.4 小角度X 射线散射法
• 2.2.5 光学法
• 第三章 多孔排水沥青混合料空隙分布描述的理论基础与技术途径
• 3.1 分形理论
• 3.1.1 分形与分维的定义
• 3.1.2 分形的自相似性
• 3.1.3 分形的无标度性
• 3.2 X 射线CT 技术原理
• 3.3 分形理论在沥青混合料研究中的应用
• 3.3.1 沥青混合料的力学行为分形特征
• 3.3.2 沥青混合料中集料与级配的分形特征
• 3.3.3 沥青混合料中空隙的分形特征
• 3.3.4 沥青混合料表面的分形特征
• 3.4 多孔排水沥青混合料空隙分形的测试评价方法
• 3.4.1 图像分析法
• 3.4.2 压汞法
• 3.4.3 X 射线小角度散射法
• 3.5 基于CT 技术的沥青混合料数字图像处理与识别
• 3.5.1 排水沥青混合料数字图像的获取
• 3.5.2 排水沥青混合料数字图像的处理
• 3.5.3 空隙的形状与分类
• 第四章 沥青混合料试件制备与参数测试
• 4.1 多孔排水沥青混合料试件制备方案
• 4.2 多孔排水沥青混合料试件制备
• 4.2.1 原材料的确定
• 4.2.2 矿料级配的确定
• 4.2.3 最佳沥青用量的确定
• 4.3 开级配沥青混合料与SMA 试件的制备
• 第五章 多孔排水沥青混合料空隙描述参数研究与CT 图像解析
• 5.1 多孔排水沥青混合料空隙分布描述的基本参数
• 5.1.1 空隙率与连通空隙率
• 5.1.2 空隙等效直径
• 5.1.3 空隙数量
• 5.1.4 空隙分维数
• 5.1.5 空隙形貌
• 5.1.6 比表面积
• 5.2 多孔排水沥青混合料CT 图像二维解析
• 5.3 多孔排水沥青混合料CT 图像空间解析
• 5.4 空隙级配分析
• 5.5 空隙的分形表达分析
• 第六章 多孔排水沥青混合料空隙分布特性研究
• 6.1 多孔排水沥青混合料空隙横向分布特性研究
• 6.2 多孔排水沥青混合料空隙竖向分布特性研究
• 6.3 多孔排水沥青混合料空隙空间分布特性研究
• 6.3.1 空隙率的空间分布规律
• 6.3.2 空隙等效直径的空间分布规律
• 6.3.3 空隙数量的空间分布规律
• 6.3.4 空隙分维数的空间分布规律
• 6.3.5 多孔排水沥青混合料空隙级配分析
• 第七章 多孔排水沥青混合料空隙分布影响因素研究
• 7.1 矿料级配对多孔排水沥青混合料空隙分布特性的影响
• 7.1.1 不同级配对多孔排水沥青混合料空隙分布特性分析
• 7.1.2 多孔排水沥青混合料空隙横向分布与竖向分布的对比分析
• 7.2 压实功对多孔排水沥青空隙分布特性的影响
• 7.3 压实方法对多孔排水沥青空隙分布特性的影响
• 第八章 多孔排水沥青混合料空隙分布与混合料性能的关系及空隙衰变行为探索
• 8.1 空隙分布对沥青混合料劈裂抗拉强度影响研究
• 8.2 沥青混合料空隙分维数与渗透性能的关系研究
• 8.3 多孔排水沥青混合料空隙衰变行为探索
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢