【摘要】：1問題的提出和研究意義在瀝青混合料中,粗集料占據(jù)相當(dāng)大比例的體積,具有較強(qiáng)的顆粒性,且其形態(tài)特征差異較大,導(dǎo)致材料選擇和混合料配合比設(shè)計的變異性較大。顯然,合理區(qū)分具有復(fù)雜形態(tài)特征的粗集料能夠減少工程設(shè)計的變異性,進(jìn)而提高瀝青混合料路用性能,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來,對于粗集料形態(tài)表征,國內(nèi)外研究者從圖像處理、試驗(yàn)測試和仿真計算等方面,開展了相當(dāng)多的研究工作,提出了很多計算和分析方法,用以評價顆粒形狀、棱角、紋理、破裂面、針片狀含量等。在進(jìn)行Superpave或Marshall混合料組成設(shè)計時,也對粗集料形態(tài)特征提出技術(shù)指標(biāo)要求和試驗(yàn)測試方法。不僅如此,現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、圖像技術(shù)、3D掃描和打印技術(shù)、無線傳感技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等逐步成熟,也有研究者開始探索粗集料的數(shù)字化和智能化問題。然而,無論是傳統(tǒng)混合料配合比設(shè)計方法的繼承與發(fā)展,還是現(xiàn)代科技的融合與創(chuàng)新,都需要面對一個問題:如何合理分類與精準(zhǔn)認(rèn)知粗集料形態(tài)特征?只有解決這個問題,粗集料才可量度、可控制和可設(shè)計。因此,本文以粗集料形態(tài)特征為對象,以顆粒形狀為切入點(diǎn),提出了“五大類-四參數(shù)-五分制”的粗集料分類方法,并開展了相應(yīng)的性能研究工作,研究內(nèi)容包括:在已有研究基礎(chǔ)上,建立粗集料數(shù)字化分類體系,并基于3D掃描和X-ray CT圖像技術(shù)構(gòu)建對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫;基于結(jié)合數(shù)字化集料數(shù)據(jù)庫和離散元方法,運(yùn)用PFC5.0開發(fā)了瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)仿真試驗(yàn),通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬仿真試驗(yàn)的可行性與準(zhǔn)確性,探究了顆粒形態(tài)對瀝青混合料壓實(shí)性能的影響,追蹤了壓實(shí)過程中粗顆粒的運(yùn)動和遷移特征;基于粗集料數(shù)字化分類參數(shù),預(yù)制了特定形狀的水泥粗顆粒(球體和立方體),探究了粗顆粒粒徑和形狀組合對瀝青混合料高溫抗車轍、低溫抗開裂和疲勞性能的影響。與此同時,在進(jìn)行粗集料形態(tài)數(shù)字化分類過程中,為了解決根據(jù)粗集料不同形態(tài)特征來選擇相應(yīng)的圖像掃描技術(shù)問題,基于粗集料的數(shù)字化分類綜合對比了3D掃描儀和X-ray CT技術(shù)在圖像采集過程中的優(yōu)勢和不足,不僅驗(yàn)證了應(yīng)用3D掃描儀獲取粗集料形態(tài)信息的可行性和準(zhǔn)確性,而且還提出了根據(jù)研究需求和粗集料形態(tài)特征的圖像技術(shù)選擇建議。本文通過對瀝青混合料中粗集料數(shù)字化分類及其運(yùn)用研究,為公路工程中傳統(tǒng)的粗集料形態(tài)研究增添了新的內(nèi)容;粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫在離散元數(shù)值模擬中的應(yīng)用可以作為傳統(tǒng)虛擬樣本成形過程的替代方法,使虛擬樣本更接近實(shí)驗(yàn)室測試試件;為縮小基于“試錯法”的配合比設(shè)計的試驗(yàn)范圍、縮短試驗(yàn)周期、提高試驗(yàn)效率和節(jié)省試驗(yàn)成本的研究奠定了基礎(chǔ)。同時,粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫的建立和瀝青混合料虛擬仿真試驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用,使粗集料作為一種可計算、可分析、可設(shè)計的試驗(yàn)參數(shù),為進(jìn)一步研究瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析、集料形態(tài)配比設(shè)計提供新的研究思路和數(shù)據(jù)支持。2主要研究內(nèi)容及方法本文主要研究內(nèi)容包括:基于圖像技術(shù)的粗集料數(shù)字化分類方法研究,基于粗集料數(shù)字化分類的瀝青混合料壓實(shí)研究和基于預(yù)制混凝土粗顆粒的瀝青混合料性能研究。詳細(xì)研究內(nèi)容和方法如下:2.1基于圖像技術(shù)的粗集料數(shù)字化分類方法研究信息數(shù)字化是指將復(fù)雜多變的信息(如圖像、聲音、文本或者信號等)轉(zhuǎn)換成可度量的數(shù)字、數(shù)據(jù),然后以此為基礎(chǔ)建立數(shù)字化模型,最后將模型轉(zhuǎn)化成便于計算機(jī)處理的數(shù)字格式(通常指二進(jìn)制代碼)的過程。由于通過數(shù)字化處理的信息,能將各種類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相同格式并進(jìn)行混合傳輸和運(yùn)用,同時還能保證數(shù)據(jù)在傳輸中不受損傷,因此數(shù)字化數(shù)據(jù)處理也成為最受歡迎的信息保存方式之一。本研究通過借鑒信息數(shù)字化理論,提出了針對瀝青混合料中粗集料的數(shù)字化分類概念。但本文所提出的“粗集料數(shù)字化分類”有所不同,是指先將瀝青混合料中形態(tài)復(fù)雜多樣的粗集料進(jìn)行“五大類-四參數(shù)-五分制”方法分類;然后,借助圖像技術(shù)將粗集料的產(chǎn)地、巖性、粒徑和形態(tài)等信息進(jìn)行數(shù)字化命名和保存;最后通過用包含有“樣本選擇-顆粒分類-信息記錄-圖像采集-文件命名-數(shù)據(jù)調(diào)用”的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建體系來建立粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫的過程。粗集料數(shù)字化分類過程說明如下:2.1.1粗集料分類參數(shù)及評價方法對于粗集料形態(tài)分析,目前研究已經(jīng)提出了全面的評價參數(shù),但就集料分類及應(yīng)用方面還存在一定的空白。因此,本文基于粗集料的形態(tài)特征,結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、計算參數(shù)和圖像技術(shù),提出了粗集料的“五大類-四參數(shù)-五分制”的分類方法。五個大類:以粗集料的整體形狀為研究對象,通過初步分類和精細(xì)分類兩個步驟將粗集料分成球體顆粒、含破碎面狀顆粒、棱角狀顆粒、針狀顆粒和扁平狀顆粒五個大類。四個參數(shù):通過四個參數(shù)計算定量描述粗集料之間的相互關(guān)系。五分制:將粗集料中某兩種特定形狀之間的關(guān)系用1到5分制來表示,數(shù)值越大表示與某一種形狀越相似即越接近該形狀。因?yàn)閷τ跒r青混合料中的粗集料形態(tài)而言,其形態(tài)多樣,并非所有顆粒都完全符合某種分類的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài),大多數(shù)粗集料形狀特征復(fù)雜,介于兩種形狀類型之間同時具有多種形狀類型的特征。因此對于這些形態(tài)復(fù)雜多樣且無法通過簡單的室內(nèi)試驗(yàn)(初步分類)進(jìn)行區(qū)分的粗集料,本文借助圖像技術(shù)(3D掃描儀和X-ray CT)和MATLAB編程技術(shù)對這些粗集料進(jìn)行參數(shù)計算和評分制分類(精細(xì)分類)。這就是本研究結(jié)合圖像技術(shù)針對粗集料形狀特征所提出的“五大類-四參數(shù)-五分制”的分類方法。2.1.2樣本采集及數(shù)字化數(shù)據(jù)庫構(gòu)建基于“五大類-四參數(shù)-五分制”分類方法,本文通過樣本采集、信息記錄、形狀分類及命名保存等一系列程序,收集了包含中美兩國,6省(州)市,4種巖性,5種粒徑范圍,5種形態(tài)類型共計7,500顆不同形態(tài)的粗集料樣本。運(yùn)用了3D掃描儀和X-ray CT對樣本進(jìn)行掃描試驗(yàn)并獲取了樣本的形態(tài)信息。分別說明了3D掃描儀和X-ray CT進(jìn)行形態(tài)信息采集的過程:(1)3D掃描儀信息獲取過程主要包括試樣準(zhǔn)備、儀器校對、樣本掃描以及數(shù)據(jù)的輸出和保存四個主要步驟,其中試樣準(zhǔn)備中的顆粒編號和噴涂顯影劑為兩個關(guān)鍵點(diǎn)。(2)X-ray CT信息獲取包括試驗(yàn)準(zhǔn)備、樣本掃描、灰度圖像輸出以及自主開發(fā)的MATLAB圖像處理程序四個主要步驟。試件準(zhǔn)備中自主設(shè)計及制作的粗集料掃描盒和顆粒掃描位置確定為兩個關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)信息分類和編碼的基本原則與方法并結(jié)合本研究需求,設(shè)計了集產(chǎn)地、巖性及粒徑、形態(tài)及相互關(guān)系和編號于一體的共計四個類別的數(shù)字化數(shù)據(jù)庫命名方法:(1)大類代碼,由7位數(shù)字組成包含國別、省/州、市/郡信息(產(chǎn)地);(2)種類代碼,由5位數(shù)字組成包含巖性及粒徑信息;(3)小類代碼:由5位數(shù)字組成包含顆粒的形態(tài)特征及不同形狀間相互關(guān)系;(4)細(xì)類代碼:由5位數(shù)字組成表示顆粒的具體編號。提出了包含“樣本選擇-顆粒分類-信息記錄-圖像采集-文件命名-數(shù)據(jù)調(diào)用”的完整數(shù)據(jù)庫構(gòu)建體系。并建立了已有樣本的粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料中粗集料的數(shù)字化分類。2.1.3圖像技術(shù)的選擇研究在瀝青混合料研究中,X-ray CT是一種公認(rèn)的,能夠定量、無損的進(jìn)行試樣檢測的圖像技術(shù)。現(xiàn)有研究認(rèn)為通過X-ray CT所獲取的圖像具有極高的精度,能夠真實(shí)的表征試樣形態(tài)信息。但由于其設(shè)備昂貴,試驗(yàn)花費(fèi)高,技術(shù)人員要求高等不足,阻礙了其在粗集料形態(tài)研究中的推廣和應(yīng)用。在構(gòu)建粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫過程中,特別是在集料幾何信息采集時引入了3D掃描技術(shù)。因此,運(yùn)用3D掃描儀的可行性、準(zhǔn)確性、以及如何選擇合適的圖像獲取技術(shù)成為本研究中的一個關(guān)鍵點(diǎn)。為了解決針對不同形態(tài)特征粗集料的圖像技術(shù)選擇問題。本文首先基于粗集料的數(shù)字化分類,挑選了四種不同形狀類型(球體顆粒、棱角狀顆粒、針狀顆粒和扁平狀顆粒)的粗集料分別進(jìn)行3D掃描和X-ray CT掃描試驗(yàn)獲取顆粒圖像。其次,重構(gòu)顆粒三維模型并通過對集料幾何參數(shù)的計算和分析,驗(yàn)證了3D掃描技術(shù)在集料圖像采集中的可行性和準(zhǔn)確性。最后,對比了3D掃描儀和X-ray CT圖像技術(shù)在圖像采集過程中的優(yōu)勢和不足,通過掃描精度、設(shè)備成本、試驗(yàn)花費(fèi)、便攜性、安全性、掃描時長、能耗、占地和技術(shù)人員要求等多個方面的綜合對比分析,提出了根據(jù)研究需求和粗集料形態(tài)特征的圖像技術(shù)選擇建議。為粗集料數(shù)字化分類在瀝青混合料研究中的進(jìn)一步開展和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2.2基于粗集料數(shù)字化分類的瀝青混合料壓實(shí)研究瀝青混合料壓實(shí)是影響瀝青混合料性能的關(guān)鍵因素之一。瀝青路面在施工和使用階段的質(zhì)量在很大程度上取決于壓實(shí)度。本研究結(jié)合數(shù)字化集料數(shù)據(jù)庫和離散元方法,運(yùn)用PFC5.0開發(fā)了瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)仿真試驗(yàn),通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬仿真試驗(yàn)的可行性與準(zhǔn)確性,探究了顆粒形態(tài)對瀝青混合料壓實(shí)性能的影響,追蹤了壓實(shí)過程中粗顆粒的運(yùn)動和遷移特征,為進(jìn)一步將粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫運(yùn)用于數(shù)值仿真中提供了參考,為瀝青混合料虛擬仿真試驗(yàn)的開發(fā)和運(yùn)用提供了數(shù)據(jù)支持和新思路,具體的研究內(nèi)容和方法介紹如下:2.2.1不同形態(tài)粗集料對瀝青混合料壓實(shí)性能的影響旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)常用于瀝青混合料的體積性能分析、混合料密實(shí)性評價、集料形態(tài)影響評價和現(xiàn)場質(zhì)量控制等研究中。通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的瀝青混合料試件非常接近真實(shí)瀝青路面的密度、骨料方位和結(jié)構(gòu)特征。無論從體積還是質(zhì)量比例而言,在瀝青混合料中集料都占據(jù)較大的比例,其形狀對混合料的結(jié)構(gòu)性能和力學(xué)性能均有重要影響。因此,本研究基于粗集料的數(shù)字化分類方法通過室內(nèi)試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn),分析了不同形狀粗集料對瀝青混合料壓實(shí)性能的影響。首先,根據(jù)集料分類方法挑選試驗(yàn)所需的不同粒徑的五種形狀類型的粗集料(球體顆粒、含破碎面狀顆粒、棱角狀顆粒、針狀顆粒和扁平狀顆粒),通過3D掃描得到所選粗集料的圖像,并保存至集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫中。其次,根據(jù)不同的形狀類型配比成型瀝青混合料試件,記錄并計算獲得試件的壓實(shí)曲線。然后,調(diào)用數(shù)字化數(shù)據(jù)庫資源并利用PFC5.0編寫瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓虛擬試驗(yàn)程序。最后,通過比較和分析室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果,驗(yàn)證了瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)程序的準(zhǔn)確性并探究了不同形狀粗集料對瀝青混合料壓實(shí)性能的影響。通過比較SGC試驗(yàn)過程中含100%棱角狀、100%破裂面狀和混合形狀粗集料的瀝青混合料壓實(shí)曲線,發(fā)現(xiàn)球體顆粒、針狀顆粒和扁平狀顆粒對瀝青混合料的壓實(shí)具有不利影響。2.2.2瀝青混合料壓實(shí)過程中不同形態(tài)粗集料運(yùn)動特征的研究本研究基于粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫和瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)虛擬試驗(yàn),通過追蹤粗顆粒在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)中的運(yùn)動軌跡,分析了不同形狀粗集料在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中的運(yùn)動特征和變化規(guī)律。首先,根據(jù)粗集料分類方法,挑選出滿足試驗(yàn)要求的三種粒徑范圍的五種形狀類型的粗集料(球體顆粒、含破碎面狀顆粒、棱角狀顆粒、針狀顆粒和扁平狀顆粒)。其次,對7組不同形狀配比組合的瀝青混合料(100%破碎面狀粗集料、100%棱角狀粗集料、80%破碎面狀粗集料+20%球體粗集料、60%破碎面狀粗集料+40%球體粗集料、80%破碎面狀粗集料+20%針狀粗集料、80%破碎面狀粗集料+20%扁平狀粗集料)分別進(jìn)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)室內(nèi)成型試驗(yàn)和基于PFC5.0的虛擬仿真試驗(yàn)。然后,通過瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)追蹤了不同形狀粗集料的運(yùn)動軌跡。最后,通過對不同集料形狀配比的瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)室內(nèi)試驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)的比較和分析,探究了不同形狀粗集料在壓實(shí)過程中的運(yùn)動特征和變化規(guī)律。2.3基于預(yù)制水泥混凝土顆粒的瀝青混合料性能研究作為瀝青混合料中重要的組成部分,集料形態(tài)對瀝青混合料的性能具有重要影響。且由于研究粗集料形態(tài)對瀝青混合料力學(xué)性能的影響需要挑選數(shù)目龐大的礦質(zhì)集料。因此,本研究提出了利用水泥混凝土人工預(yù)制具有不同顏色、不同粒徑范圍和不同形狀的粗顆粒來替代瀝青混合料中粗集料,并通過室內(nèi)成型和力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證了水泥混凝土顆粒運(yùn)用的可行性和正確性,同時探究了水泥混凝土粗顆粒粒徑大小和幾何形狀對瀝青混合料力學(xué)性能的影響。預(yù)制水泥混凝土顆粒在瀝青混合料研究中的應(yīng)用,不僅為開展粗顆粒形態(tài)對瀝青混合料性能的影響研究提供了新思路,而且還為將來研究真實(shí)集料形態(tài)對瀝青混合料力學(xué)性能的影響因素及進(jìn)一步建立粗集料形態(tài)與瀝青混合料力學(xué)性能之間的關(guān)系提供了一定的參考。2.3.1水泥混凝土顆粒預(yù)制及試驗(yàn)方案設(shè)計水凝混凝土顆粒作為試驗(yàn)的主要原材料之一,本研究首先通過材料的選擇和配比、彩色水泥砂漿的調(diào)配、水泥砂漿的灌注及顆粒成型、水泥顆粒的養(yǎng)生及干燥四個步驟,人工制造了具有特定顏色和形狀的水泥粗顆粒(紅色球體顆粒和灰色立方體顆粒)。其次,進(jìn)行了瀝青性能等級(PG-Peformance Grade)等級的選擇、礦質(zhì)集料的選用、顆粒形態(tài)配比和集料級配設(shè)計。最后,根據(jù)瀝青混合料性能研究需要,確定了漢堡車轍試驗(yàn)、圓盤拉伸試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)要求和條件。為研究預(yù)制水泥混凝土顆粒對瀝青混合料力學(xué)性能的影響做了充分的準(zhǔn)備。2.3.2預(yù)制水泥混凝土顆粒對瀝青混合料力學(xué)性能的影響為了探究預(yù)制水泥混凝土顆粒對瀝青混合料力學(xué)性能的影響。首先,通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)、揉壓試驗(yàn)和切割試驗(yàn)分別成型具有不同尺寸和不同形狀配比粗顆粒的瀝青混合料圓柱形、圓盤形和小梁試件。然后,通過比較選用真實(shí)集料和水泥混凝土顆粒的混合料的圓盤拉伸試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了水泥顆粒使用的合理性和正確性。最后,通過瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn)(浸水45℃)、圓盤拉伸試驗(yàn)(-24℃)和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)(常溫25℃)探究了粗顆粒不同粒徑和形狀組合對瀝青混合料高溫抗車轍,低溫抗開裂以及疲勞性能的影響。綜合分析試驗(yàn)結(jié)果可得,在一定的粒徑范圍內(nèi),選用大粒徑立方體顆粒(棱角狀集料)有助于瀝青混合料力學(xué)性能的提升,同時還需要特別注意球體顆粒對瀝青混合料力學(xué)性能的影響。3主要結(jié)論和本論文的創(chuàng)新點(diǎn)3.1主要結(jié)論(1)對于粗集料的評價,國內(nèi)外傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法大多采用目測法和尺規(guī)法,這些方法容易受人為因素的影響而出現(xiàn)試驗(yàn)誤差甚至錯誤,本研究將室內(nèi)試驗(yàn)、計算參數(shù)和圖像技術(shù)相結(jié)合提出了瀝青混合料中粗集料的“五大類-四參數(shù)-五分制”分類方法,以此來快速地、精準(zhǔn)地確定瀝青混合料中粗集料的形狀屬性,在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)粗集料三維尺度的研究,為粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫的建立提供依據(jù)。(2)基于粗集料形態(tài)分類方法,提出了包含“樣本選擇-顆粒分類-信息記錄-圖像采集-文件命名-數(shù)據(jù)調(diào)用”完整的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建體系,同時針對粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫設(shè)計了數(shù)據(jù)編碼方法。建立了粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫,可用于顆粒形態(tài)表征和瀝青混合料數(shù)值仿真中。因此,粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫的建立,不僅實(shí)現(xiàn)了粗集料形態(tài)特征的信息化、數(shù)字化管理和運(yùn)用,而且還促進(jìn)了顆粒形態(tài)表征與瀝青混合料虛擬仿真試驗(yàn)的進(jìn)一步發(fā)展。(3)在瀝青混合料中粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫構(gòu)建中,通過比較3D掃描儀和X-ray CT試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了3D掃描的可行性和準(zhǔn)確性。此外,由于3D掃描儀具有經(jīng)濟(jì)、安全、便攜和節(jié)能等優(yōu)勢,在通常條件下推薦采用3D掃描儀進(jìn)行集料圖像信息采集工作。然而,當(dāng)顆粒形態(tài)特殊并具有“薄棱角”(如扁平狀和針狀顆粒)或復(fù)雜的表面特征時,推薦采用X-ray CT進(jìn)行顆粒圖像的采集。大量掃描試驗(yàn)說明,選取合適的圖像掃描技術(shù),不僅可以大幅提高掃描效率和節(jié)省掃描成本,還可以提高粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫的建立速度和精度,促進(jìn)了粗集料數(shù)字化分類的發(fā)展和應(yīng)用。(4)基于離散元方法和粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫,開發(fā)了瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)虛擬仿真試驗(yàn)。并通過比較室內(nèi)試驗(yàn)和虛擬仿真試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫在瀝青混合料虛擬仿真試驗(yàn)中運(yùn)用的可行性和正確性。粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫在離散元數(shù)值仿真中的應(yīng)用為瀝青混合料的壓實(shí)研究做出了重要貢獻(xiàn),可作為瀝青混合料傳統(tǒng)虛擬試件成型的替代方法,使虛擬成型試件更接近室內(nèi)試驗(yàn)成型所得試件,為進(jìn)一步研究集料形態(tài)對瀝青混合料壓實(shí)及力學(xué)性能的影響奠定了基礎(chǔ)。(5)粗集料形狀對瀝青混合料壓實(shí)性能有顯著的影響,而且不同形狀的粗集料對瀝青混合料壓實(shí)性能的影響也不同。通過比較SGC試驗(yàn)過程中含100%棱角狀、100%破裂面狀和混合形狀粗集料的瀝青混合料壓實(shí)曲線,發(fā)現(xiàn)球體顆粒、針狀顆粒和扁平狀顆粒對瀝青混合料的壓實(shí)具有不利影響;當(dāng)瀝青混合料達(dá)到一定的壓實(shí)度時,扁平狀粗集料對瀝青混合料壓實(shí)性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于針狀粗集料的影響;當(dāng)大量維度比為3:1的針狀或扁平狀粗集料運(yùn)用于瀝青混合料時,會導(dǎo)致壓實(shí)性能的降低。因此,當(dāng)瀝青混合料所用粗集料含有較大比例的針狀或扁平狀顆粒時應(yīng)引起重視并采取措施。(6)在瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中,粗集料的運(yùn)動可分為三個主要的階段;對于不同形狀配比瀝青混合料而言,其顆粒豎向位移比明顯大于水平向位移比,而豎向和水平向旋轉(zhuǎn)則反之;針狀粗集料對顆粒的運(yùn)動影響大于扁平狀粗集料,而通過比較分析水平和豎直方向旋轉(zhuǎn)角變化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合料達(dá)到一定壓實(shí)度時,扁平狀粗集料對顆粒旋轉(zhuǎn)的影響更加明顯。(7)通過比較使用礦質(zhì)集料和水泥粗顆粒的瀝青混合料圓盤拉伸試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了利用水泥混凝土人工預(yù)制具有不同顏色,不同粒徑范圍和不同形狀的粗顆粒來替代粗集料方法的可行性和正確性,并運(yùn)用預(yù)制水泥混凝土粗顆粒探究了粒徑大小和幾何形狀對瀝青混合料力學(xué)性能的影響。此方法能為將來研究真實(shí)集料形態(tài)對瀝青混合料力學(xué)性能的影響提供一定的參考。(8)綜合含有不同粒徑大小和形態(tài)組合的瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn)、圓盤拉伸試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果可得,為了獲得具有更優(yōu)力學(xué)性能的瀝青混合料,在一定的粒徑范圍內(nèi),推薦選用大粒徑的立方體顆粒(棱角狀集料)。與此同時,當(dāng)粗顆粒中球體顆粒(球體集料)比例過高時應(yīng)引起注意并加以控制。3.2本論文的創(chuàng)新點(diǎn)(1)粗集料形態(tài)分類的信息化、數(shù)字化,使其可度量、可控制和可設(shè)計:本研究基于粗集料的形態(tài)特征,通過室內(nèi)試驗(yàn)、參數(shù)計算和圖像技術(shù)等,提出了“五大類-四參數(shù)-五分制”的粗集料形態(tài)分類方法。在數(shù)據(jù)庫構(gòu)建時,設(shè)計了集產(chǎn)地、巖性、粒徑、形態(tài)和編號于一體的數(shù)據(jù)庫命名方法,運(yùn)用了3D掃描儀和X-ray CT圖像技術(shù),提出了包含“樣本選擇-顆粒分類-信息記錄-圖像采集-文件命名-數(shù)據(jù)調(diào)用”完整的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建體系,實(shí)現(xiàn)了粗集料形態(tài)的數(shù)字化分類。同時,收集了包含中美兩國,6省(州)市,4種巖性,5種粒徑范圍,5種形態(tài)類型共計7,500顆不同形態(tài)的粗集料樣本并建立了粗集料形態(tài)數(shù)字化數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)了粗集料分類的數(shù)字化和信息化。這不僅有助于用戶精準(zhǔn)地分類粗集料,快速地調(diào)用數(shù)據(jù)資源,為集料的表征與評估增添了新內(nèi)容,而且通過分類數(shù)字化還能實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)資源靈活地的與不同數(shù)值分析軟件相對接,為瀝青混合料虛擬仿真成果快速應(yīng)用到工程實(shí)踐提供了新思路,具有廣闊的應(yīng)用前景。此外,在粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫構(gòu)建過程中,還綜合對比了3D掃描儀和X-ray CT技術(shù)在圖像采集過程中的優(yōu)勢和不足,不僅驗(yàn)證了運(yùn)用3D掃描儀獲取粗集料形態(tài)信息的可行性和準(zhǔn)確性,而且還提出了根據(jù)研究需求和粗集料形態(tài)特征的圖像技術(shù)選擇建議,為相關(guān)研究提供了指導(dǎo)。(2)瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)仿真試驗(yàn)技術(shù):基于數(shù)字化粗集料形態(tài)分類和PFC5.0,通過將數(shù)字化的集料數(shù)據(jù)庫引入到離散元數(shù)值模擬中,建立了“瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)仿真試驗(yàn)”并通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)仿真試驗(yàn)的可行性。粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫在離散元數(shù)值仿真中的應(yīng)用可作為瀝青混合料傳統(tǒng)虛擬試件成型的替代方法,使虛擬成型所得試件更接近室內(nèi)試驗(yàn)成型試件。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了通過虛擬試驗(yàn)來探究不同粗集料形態(tài)對瀝青混合料壓實(shí)性能的影響和追蹤不同形態(tài)粗集料在瀝青混合料壓實(shí)過程中的顆粒運(yùn)動特征。這不僅為進(jìn)一步將粗集料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫運(yùn)用于數(shù)值仿真中提供了參考,還為瀝青混合料虛擬仿真試驗(yàn)的進(jìn)一步開發(fā)和運(yùn)用提供了數(shù)據(jù)支持。(3)預(yù)制水泥混凝土粗顆粒的瀝青混合料性能研究:基于粗集料數(shù)字化形態(tài)分類方法,人工制作了兩種不同顏色、不同粒徑范圍及不同形狀的水泥混凝土粗顆粒(紅色球體和灰色立方體),通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了水泥混凝土顆粒使用的合理性,利用人工預(yù)制的水泥混凝土粗顆粒探究了不同尺寸和形狀配比的粗顆粒對瀝青混合料抗車轍性能,抗低溫開裂性能以及抗疲勞性能的影響。預(yù)制水泥混凝土顆粒在瀝青混合料研究中的應(yīng)用,不僅為開展粗顆粒形態(tài)對瀝青混合料性能的影響研究提供了新思路,而且還為將來研究真實(shí)集料形態(tài)對瀝青混合料力學(xué)性能的影響及進(jìn)一步建立粗集料形態(tài)與瀝青混合料力學(xué)性能之間的關(guān)系提供了一定的參考。
【學(xué)位授予單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U414
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本文編號：2692872