道路与铁道工程专业毕业论文[精品论文]沥青混合料微细观结构及其数值仿真研究

道路与铁道工程专业毕业论文[精品论文]沥青混合料微细观结构及其数值仿真研究内容摘要：

件的高度方向上，空隙分布总体上呈现 “ 两头大，中间小 ” 的特性；在试件的横向分布上，对于 AC16与 SMA16 试件，其空隙较多地分布在试件边缘，试件呈 “ 外疏内密 ” 状态。 (2)SGC 旋转压实成型试件内部空隙的层位分布与横向分布的变异性显著大于Marshall 击实成型试件。 SMA 沥青混合料的内部空隙无论是在层位分布上还是在横向分布上均体现出很大的变异性。 (3)从沥青混合料横向剖面的图像级配曲线来看，图像级配的走向、规律、范围与实际级配有着较好的相关性，图像级配在一定程度上可以反映实际级配状况。 (4)提出了轴向系数 (Aspect)、圆度(Roundness)两个指标来表征粗集料的二维形状特征。 对于相同岩性的集料颗粒，颗粒的轴向系数呈伽玛分布；随着集料粒径的增大，其轴向系数呈下降趋势；随着集料颗粒粒径的增大，颗粒的圆度值越接近于 1，颗粒形状越接近于圆。 (5)采用颗粒周长法与分形几何法，分别提出颗粒粗糙度 (Roughness)与分形维数 (FD)来表征 集料颗粒的棱角特征。 粗糙度与分形维数均能较好的体现集料颗粒的棱角特性，石灰岩、花岗岩、玄武岩与安山岩的棱角性差异并不显著，卵石颗粒的棱角性显著地小于其它四种集料。 颗粒粗糙度与分形维数两个图像评价指标与常规评价指标间具有良好的相关性。 (6)提出运用数字图像手段来检测粗集料级配特征的评价方法。 经筛孔转换后，图像级配与室内机械筛分级配的平均误差小于5％，具有很好的精度。 (7)提出了 Burgers 模型向 Prony 级数系数的转换方法。 通过 ABAQUS 软件对沥青砂浆的蠕变试验进行模拟计算，沥青砂浆静压蠕变试 验结果、 Burgers 模型解析解与基于 Burgers 模型的 ABAQUS 有限元解具有良好的一致性。 (8)在沥青混合料内部，集料点位处的应力显著地高于砂浆点位处的应力水平，可以初步判断，应力在沥青混合料内部的传递规律为 “ 遇强则强 ” ，即对于模量高的集料，其承担的应力将显著高于模量低的砂浆。 (9)对于非均质的沥青混凝土复合材料，砂浆与集料应变分布的非协调性是导致其产生破坏的主要原因之一。 尤其对于集料砂浆的交界面处，砂浆物质与集料物质应变体现出极大的不协调性，这将直接导致沥青混合料在承载状态下的逐渐破坏。 目前，传统的 Marshall 设计法与 SuperpaveTM 设计法多限于采用表象法、从统计角度研究沥青混合料的性能，即研究沥青混合料宏观品质 (级配、空隙率、密度、沥青含量等 )与路用性能间 (高温抗车辙、低温抗裂、疲劳等 )的关系。 然而，并未从根本上揭示混合料内部结构特征对宏观性能的影响关系，从而出现了统计指标 (诸如级配、沥青用量、空隙率等 )相同而各试件性能有较大差异的情况。 沥青混合料的细观与微观结构 (集料形状、尺寸、棱角及集料在混合料中的空间分布状况，沥青薄膜厚度，沥青砂浆的空间分布等 )对混合料的性 能起到重要的影响。 随着先进的材料测试技术与手段的不断完善，计算机软硬件水平的不断提高，使沥青混合料微细观结构的研究与虚拟试验研究成为可能。 本文围绕沥青混合料的微细观结构分析为主线，从沥青混合料内部结构识别与分析、到粗集料形态特征研究方法与分析指标、进而研究沥青砂浆粘弹性的模型与参数，建立混合料细观结构的虚拟试验模型并阐述集料与砂浆的作用关系，以及内部结构特征与外部荷载与变形的相互关系，从而揭示沥青混合料的受力机理，为工程实践应用提供一定的理论指导。 本文主要针对以下内容展开研究： (1)采用 Xray CT无损扫描与数码相位切割扫描对不同成型方式 (Marshall击实与 SGC旋转压实 )、不同级配形式 (、 SMA16 与 OGFC16)沥青混合料的内部特征进行定量研究，其中重点分析了混合料内部空隙与集料的分布特性； (2)基于数字图像处理技术，自行研制开发的 MASCA 系统 (粗集料形态特征分析系统 )，对粗集料的形状、棱角特征进行定量评价，并对粗集料的图像级配特征进行了探索性研究； (3)针对前期研究中的三种沥青混合料，选择合理的砂浆粘弹性力学模型，提出砂浆组成设计方法，对相应 的三种沥青砂浆 (AC1 SMA16与 OGFC16砂浆 )的粘弹性参数进行蠕变试验研究，并采用有限元软件 ABAQUS 对其粘弹性力学性能进行验证与初步分析； (4)采用基于数字图像处理技术的有限元分析方法 (DIPFEM)，提出沥青混合料 IDT 劈裂试验的二维微细观结构有限元建模方法，采用 ABAQUS 有限元分析软件，对 IDT 劈裂试验进行非线性数值模拟，重点分析了加载方向、空隙分布、加载速率、集料砂浆模量比等因素对 IDT 劈裂试验的影响规律，对 Marshall 成型的 AC16 试件与 SMA16试件、对 SGC 成型与 Marshall成型的 AC16 试件的力学特性进行有限元模拟，分析级配型式与成型方式对沥青混合料内部集料与砂浆力学特性的影响。 通过上述内容的研究，可以得出如下研究结论： (1)空隙在沥青混合料内部呈不均匀分布，其变异性大小受成型方式与级配型式的影响。 SGC 旋转压实成型试件，在试件的高度方向上，空隙分布总体上呈现 “ 两头大，中间小 ” 的特性；在试件的横向分布上，对于 AC16与 SMA16 试件，其空隙较多地分布在试件边缘，试件呈 “ 外疏内密 ” 状态。 (2)SGC 旋转压实成型试件内部空隙的层位分布 与横向分布的变异性显著大于Marshall 击实成型试件。 SMA 沥青混合料的内部空隙无论是在层位分布上还是在横向分布上均体现出很大的变异性。 (3)从沥青混合料横向剖面的图像级配曲线来看，图像级配的走向、规律、范围与实际级配有着较好的相关性，图像级配在一定程度上可以反映实际级配状况。 (4)提出了轴向系数 (Aspect)、圆度(Roundness)两个指标来表征粗集料的二维形状特征。 对于相同岩性的集料颗粒，颗粒的轴向系数呈伽玛分布；随着集料粒径的增大，其轴向系数呈下降趋势；随着集料颗粒粒径的增大，颗粒 的圆度值越接近于 1，颗粒形状越接近于圆。 (5)采用颗粒周长法与分形几何法，分别提出颗粒粗糙度 (Roughness)与分形维数 (FD)来表征集料颗粒的棱角特征。 粗糙度与分形维数均能较好的体现集料颗粒的棱角特性，石灰岩、花岗岩、玄武岩与安山岩的棱角性差异并不显著，卵石颗粒的棱角性显著地小于其它四种集料。 颗粒粗糙度与分形维数两个图像评价指标与常规评价指标间具有良好的相关性。 (6)提出运用数字图像手段来检测粗集料级配特征的评价方法。 经筛孔转换后，图像级配与室内机械筛分级配的平均误差小于5％，具有很好的精 度。 (7)提出了 Burgers 模型向 Prony 级数系数的转换方法。 通过 ABAQUS 软件对沥青砂浆的蠕变试验进行模拟计算，沥青砂浆静压蠕变试验结果、 Burgers 模型解析解与基于 Burgers 模型的 ABAQUS 有限元解具有良好的一致性。 (8)在沥青混合料内部，集料点位处的应力显著地高于砂浆点位处的应力水平，可以初步判断，应力在沥青混合料内部的传递规律为 “ 遇强则强 ” ，即对于模量高的集料，其承担的应力将显著高于模量低的砂浆。 (9)对于非均质的沥青混凝土复合材料，砂浆与集料应变分布的非协调性是导致 其产生破坏的主要原因之一。 尤其对于集料砂浆的交界面处，砂浆物质与集料物质应变体现出极大的不协调性，这将直接导致沥青混合料在承载状态下的逐渐破坏。 目前，传统的 Marshall 设计法与 SuperpaveTM 设计法多限于采用表象法、从统计角度研究沥青混合料的性能，即研究沥青混合料宏观品质 (级配、空隙率、密度、沥青含量等 )与路用性能间 (高温抗车辙、低温抗裂、疲劳等 )的关系。 然而，并未从根本上揭示混合料内部结构特征对宏观性能的影响关系，从而出现了统计指标 (诸如级配、沥青用量、空隙率等 )相同而各试件性能有较大差 异的情况。 沥青混合料的细观与微观结构 (集料形状、尺寸、棱角及集料在混合料中的空间分布状况，沥青薄膜厚度，沥青砂浆的空间分布等 )对混合料的性能起到重要的影响。 随着先进的材料测试技术与手段的不断完善，计算机软硬件水平的不断提高，使沥青混合料微细观结构的研究与虚拟试验研究成为可能。 本文围绕沥青混合料的微细观结构分析为主线，从沥青混合料内部结构识别与分析、到粗集料形态特征研究方法与分析指标、进而研究沥青砂浆粘弹性的模型与参数，建立混合料细观结构的虚拟试验模型并阐述集料与砂浆的作用关系，以及内部结构 特征与外部荷载与变形的相互关系，从而揭示沥青混合料的受力机理，为工程实践应用提供一定的理论指导。 本文主要针对以下内容展开研究： (1)采用 Xray CT无损扫描与数码相位切割扫描对不同成型方式 (Marshall击实与 SGC旋转压实 )、不同级配形式 (、 SMA16 与 OGFC16)沥青混合料的内部特征进行定量研究，其中重点分析了混合料内部空隙与集料的分布特性； (2)基于数字图像处理技术，自行研制开发的 MASCA 系统 (粗集料形态特征分析系统 )，对粗集料的形状、棱角特征进行定量评价， 并对粗集料的图像级配特征进行了探索性研究； (3)针对前期研究中的三种沥青混合料，选择合理的砂浆粘弹性力学模型，提出砂浆组成设计方法，对相应的三种沥青砂浆 (AC1 SMA16与 OGFC16砂浆 )的粘弹性参数进行蠕变试验研究，并采用有限元软件 ABAQUS 对其粘弹性力学性能进行验证与初步分析； (4)采用基于数字图像处理技术的有限元分析方法 (DIPFEM)，提出沥青混合料 IDT 劈裂试验的二维微细观结构有限元建模方法，采用 ABAQUS 有限元分析软件，对 IDT 劈裂试验进行非线性数值模拟，重点分析了 加载方向、空隙分布、加载速率、集料砂浆模量比等因素对 IDT 劈裂试验的影响规律，对 Marshall 成型的 AC16 试件与 SMA16试件、对 SGC 成型与 Marshall成型的 AC16 试件的力学特性进行有限元模拟，分析级配型式与成型方式对沥青混合料内部集料与砂浆力学特性的影响。 通过上述内容的研究，可以得出如下研究结论： (1)空隙在沥青混合料内部呈不均匀分布，其变异性大小受成型方式与级配型式的影响。 SGC 旋转压实成型试件，在试件的高度方向上，空隙分布总体上呈现 “ 两头大，中间小 ” 的特性；在试件的横向分 布上，对于 AC16与 SMA16 试件，其空隙较多地分布在试件边缘，试件呈 “ 外疏内密 ” 状态。 (2)SGC 旋转压实成型试件内部空隙的层位分布与横向分布的变异性显著大于Marshall 击实成型试件。 SMA 沥青混合料的内部空隙无论是在层位分布上还是在横向分布上均体现出很大的变异性。 (3)从沥青混合料横向剖面的图像级配曲线来看，图像级配的走向、规律、范围与实际级配有着较好的相关性，图像级配在一定程度上可以反映实际级配状况。 (4)提出了轴向系数 (Aspect)、圆度(Roundness)两个指标来表 征粗集料的二维形状特征。 对于相同岩性的集料颗粒，颗粒的轴向系数呈伽玛分布；随着集料粒径的增大，其轴向系数呈下降趋势；随着集料颗粒粒径的增大，颗粒的圆度值越接近于 1，颗粒形状越接近于圆。 (5)采用颗粒周长法与分形几何法，分别提出颗粒粗糙度 (Roughness)与分形维数 (FD)来表征集料颗粒的棱角特征。 粗糙度与分形维数均能较好的体现集料颗粒的棱角特性，石灰岩、花岗岩、玄武岩与安山岩的棱角性差异并不显著，卵石颗粒的棱角性显著地小于其它四种集料。 颗粒粗糙度与分形维数两个图像评价指标与常规评价指标间具有良好的 相关性。 (6)提出运用数字图像手段来检测粗集料级配特征的评价方法。 经筛孔转换后，图像级配与室内机械筛分级配的平均误差小于5％，具有很好的精度。 (7)提出了 Burgers 模型向 Pron。