【摘要】：瀝青混凝土是由集料、孔隙及瀝青砂漿組成的多相介質(zhì)材料,其細觀結(jié)構(gòu)形態(tài)及分布的隨機性導(dǎo)致了極其復(fù)雜的力學(xué)狀況。對瀝青混凝土損傷機理的深入研究及其相關(guān)性能的有效預(yù)測都需要以細觀結(jié)構(gòu)特征作為基礎(chǔ),并精確地考慮各細觀結(jié)構(gòu)的交互作用影響。傳統(tǒng)研究大多將瀝青混凝土視為均質(zhì)體進行考慮,忽略了集料顆粒及孔隙對混凝土性能的敏感性影響,造成了理論研究與實際狀況不符。本文采用高精度X-ray CT設(shè)備掃描并獲取了瀝青混凝土的斷層圖像數(shù)據(jù),并結(jié)合數(shù)字圖像處理、數(shù)值模擬及分形理論開展了考慮細觀結(jié)構(gòu)影響特征的宏觀性能預(yù)測及破壞機理研究,并以三角模糊層次分析法構(gòu)建了集料形貌、粒徑及孔隙分布等細觀結(jié)構(gòu)因子對路面安全性能的綜合影響權(quán)重。論文研究方法完善了細觀尺度下瀝青混凝土的性能分析體系,研究成果初步建立了細觀結(jié)構(gòu)對宏觀性能的影響機理,也為優(yōu)化細觀結(jié)構(gòu)材料設(shè)計以提高瀝青混凝土路用性能提供了理論依據(jù)。首先,采用高分辨率X-ray CT設(shè)備獲取了不同級配瀝青混凝土破壞前后內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字灰度圖像,根據(jù)灰度值分布的不均勻特性采用分區(qū)域最大類間方差法作為集料顆粒及孔隙的動態(tài)閾值計算技術(shù),以二值化圖像數(shù)據(jù)有效地表征了內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)的形貌特征；基于逆向體視學(xué)理論及體素建模技術(shù),建立三角面單元重構(gòu)細觀結(jié)構(gòu)的空間模型,較好地還原了集料及孔隙等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實際細觀形貌,并經(jīng)過實體化處理后實現(xiàn)了三角面單元的數(shù)值有限元計算研究。其次,采用動態(tài)模量試驗建立了不同溫度及荷載作用頻率下瀝青砂漿的動態(tài)模量主曲線,以反向平滑及頻率擴展處理后的數(shù)據(jù)推斷了瀝青砂漿在較寬頻域范圍內(nèi)的粘彈性材料性能參數(shù),并以多參數(shù)廣義Maxwell模型為基礎(chǔ)推導(dǎo)了瀝青砂漿粘彈性能的Prony級數(shù)形式；驗證了瀝青混凝土細觀結(jié)構(gòu)空間數(shù)值模型的有效性,研究了集料及瀝青砂漿的應(yīng)力、應(yīng)變場分布狀況,提出了高溫永久變形中瀝青混凝土的分層特性,探索了各層次的彈性及蠕變應(yīng)變發(fā)展規(guī)律。再次,在集料與孔隙結(jié)構(gòu)二值化圖像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,采用Matlab編寫相關(guān)圖像處理程序分析了瀝青混凝土壓縮破壞及高溫變形過程中細觀結(jié)構(gòu)的形貌及分布變化。以集料顆粒棱角、形狀、粗集料含量、孔隙率、孔隙體積及孔隙分布等為研究對象,獲得了各細觀結(jié)構(gòu)的位移、轉(zhuǎn)動及形貌等特征量的變化規(guī)律,建立了瀝青混凝土破壞及變形的細觀因子敏感性影響,并結(jié)合直觀的損傷狀態(tài)可視化處理,確定了瀝青混凝土內(nèi)部材料體系的結(jié)構(gòu)破壞的細觀影響機理；此外,根據(jù)掃描圖像數(shù)據(jù)特征,采用分形維數(shù)量化了不同集料顆粒的形貌復(fù)雜程度,提出集料體系權(quán)重維數(shù)概念用于預(yù)測瀝青混凝土不同部位的初始孔隙率分布狀態(tài),并建立截面損傷指標(biāo)DI用于評價不同截面在高溫變形后的損傷率情況。最后,考慮到主觀判斷的模糊性,結(jié)合圖像處理及數(shù)值研究成果以三角模糊函數(shù)層次分析法構(gòu)建了瀝青混凝土各細觀結(jié)構(gòu)因子與宏觀性能間的相互關(guān)系,通過層次體系分析提出了針對路面安全性能的細觀結(jié)構(gòu)因子綜合評價影響程度,初步建立了細觀與宏觀間的聯(lián)系,為完善了瀝青混凝土材料選配及設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U414;U416.2

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本文編號：2541435