瀝青路面細觀結(jié)構(gòu)特性與衰變行為

前言

　　近年來，我國的公路交通事業(yè)發(fā)展迅速，公路網(wǎng)已極具規(guī)模，高速公路通車?yán)锍谭€(wěn)居世界笫二，長期制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施得到了較大的緩解，廣大人民的出行需求也得到了較大的滿足。但是，在取得數(shù)量發(fā)展的同時，我們還應(yīng)看到由于在公路關(guān)鍵技術(shù)的儲備不足，導(dǎo)致我國公路中存在不同程度的病害，這在某種程度上成為阻礙我國公路交通可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸?！　∽?000年以來，國家逐漸認(rèn)識并開始提倡自主創(chuàng)新，每年投入近兩億元開展西部交通建設(shè)科技項目，用于解決我國交通發(fā)展中面臨的重大共性技術(shù)難題，這為我國特殊地區(qū)公路快速發(fā)展和新一輪公路大發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。　　回顧我國公路研究的歷程可以發(fā)現(xiàn)，同樣儲備不足的不僅僅是關(guān)鍵技術(shù)，作為技術(shù)支撐的基礎(chǔ)理論研究始終也是其中的薄弱環(huán)節(jié)。國外發(fā)達國家在進行長壽命路面實踐的時候，我們還在為達到設(shè)計壽命而努力嘗試。國外在尋求路面的環(huán)境友好、資源節(jié)約時，我們還在為路用性能的提升而論證路面結(jié)構(gòu)問題?；A(chǔ)研究積淀不足和原始創(chuàng)新缺位的局面亟須改變?！　≡摃芯康臑r青路面細觀結(jié)構(gòu)就是目前國際上熱門的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一。自從美國SIMAP開始以來，瀝青混合料微細觀結(jié)構(gòu)的研究就備受關(guān)注。瀝青路面細觀結(jié)構(gòu)研究，借助于其他學(xué)科日新月異的測試技術(shù)，并結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)在道路學(xué)科中的應(yīng)用，可望對集料的幾何形態(tài)和表面形貌、空隙的空間信息挖掘、瀝青與集料界面行為、混合料試件的三維重構(gòu)進行深度解析；同時，應(yīng)用I）EM和原子FEM方法，有利于實現(xiàn)級配由基于集料粒徑向基于集料形態(tài)過渡的設(shè)計并為實現(xiàn)、混合料設(shè)計階段進行性能虛擬評價和長期性能預(yù)測、建成路面與目標(biāo)設(shè)計的符合性檢驗提供一線曙光。　　該書在國家自然科學(xué)基金、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃等項目的資助下，圍繞瀝青路面細觀結(jié)構(gòu)，立足基礎(chǔ)研究，綜合采用X射線CT技術(shù)、數(shù)字圖像技術(shù)、分形理論、離散元法和拓撲優(yōu)化等方法，多學(xué)科交叉應(yīng)用，在道路學(xué)科領(lǐng)域進行了理論探索。作者緊密跟蹤國際研究前沿，經(jīng)多年的獨立鉆研，取得了若干成果，包括集料幾何特征的精細評價、空隙信息的深度挖掘和基于功能的細觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化探索。盡管是側(cè)重理論探索，但一些結(jié)果對指導(dǎo)實踐也具有重要參考價值。

內(nèi)容概要

　　瀝青路面是由集料、瀝青和空隙形成的復(fù)雜多相復(fù)合材料。瀝青路面的使用性能與其組成材料的形態(tài)、性能和組成材料之間界面特性等細觀參數(shù)密切相關(guān)?！稙r青路面細觀結(jié)構(gòu)特性與衰變行為》綜合運用X射線CT掃描技術(shù)、數(shù)字圖像分析技術(shù)、分形理論等方法首次對集料的形態(tài)、形貌和空隙的空間分布理論進行了系統(tǒng)研究；通過連續(xù)介質(zhì)理論和多孔固體力學(xué)相結(jié)合，分析了寧隙的力學(xué)特性。建立了多個空隙衰變模型；基于室內(nèi)試驗、數(shù)字圖像分析技術(shù)和離散元法（DEM），對瀝青混合料中空隙分布的衰變行為進行深入探討；利用拓撲優(yōu)化方法等手段，提出了瀝青混合料細觀特征對瀝青路面宏觀性能的影響規(guī)律。　　《瀝青路面細觀結(jié)構(gòu)特性與衰變行為》可供從事道路工程科研、教學(xué)和工程設(shè)計人員參考使用，也可作為相關(guān)專業(yè)研究生教材或?qū)W習(xí)參考書。

書籍目錄

序前言第1章 緒論1.1 引言1.1.1 瀝青混合料多尺度問題1.1.2 瀝青混合料集料特性問題1.1.3 瀝青混合料空隙信息挖掘問題1.1.4 瀝青混合料瀝青集料界面行為問題1.2 瀝青混合料集料特性研究進展1.3 瀝青混合料字隙信息挖掘研究進展1.3.1 瀝青混合料空隙模型的研究進展1.3.2 瀝青混合料空隙率影響因素的研究進展13.3 空隙率對瀝青混合料技術(shù)性能的影響研究進展1.3.4 空隙在邊緣學(xué)科中的研究進展1.4 瀝青混合料集料／瀝青界面行為研究進展參考文獻第2章 理論基礎(chǔ)與技術(shù)途徑2.1 分形理論2.1.1 分形與分維的定義2.1.2 分形的㈠相似性2.1.3 分形的無標(biāo)度性2.1.4 分形理論在瀝青混合料研究中的應(yīng)用2.2 X射線CT技術(shù)2.3 離散元法2.3.1 基本思想2.3.2 基本方程2.3.3 接觸本構(gòu)模型2.3.4 離散元法的程序?qū)崿F(xiàn)2.3.5 顆粒流程序的解題途徑2.4 拓撲優(yōu)化埋淪2.4.1 拓撲優(yōu)化基本原理2.4.2 連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法2.4.3 拓撲優(yōu)化的應(yīng)用參考文獻第3章 瀝青混合料集料幾何特性3.1 集料的幾何形態(tài)特性3.1.1 集料的數(shù)字化方法3.1.2 集料幾何形態(tài)特性3.1.3 集料幾何形態(tài)特性二維解析3.1.4 集料幾何形態(tài)特性三維解析3.1.5 集料機械篩分與理論篩分的相關(guān)性3.2 集料的表面形貌特性3.2.1 集料形貌特征的量化指標(biāo)3.2.2 集料形貌特征的多維解析3.2.3 集料表面形貌的理論構(gòu)造3.2.4 單參數(shù)指標(biāo)對集料表面形貌的影響3.3 集料的加工與遺傳特性3.3.1 集料破碎理論3.3.2 破碎過程中的能量守恒3.3.3 破碎過程中的熵平衡3.4 級配與空隙形成理論3.4.1 骨架空隙的形成原理3.4.2 集料級配分維與空隙率的關(guān)系3.4.3 影響空隙率變異的因素參考文獻第4章 瀝青混合料空隙信息獲取方法4.1 空隙分布描述的基本參數(shù)4.1.1 空隙率與連通空隙率4.1.2 空隙等效直徑4.1.3 空隙數(shù)量4.1.4 空隙分維數(shù)4.1.5 空隙形貌4.1.6 比表面積4.2 空隙空間分布描述的數(shù)學(xué)方法4.2.1 經(jīng)典的統(tǒng)計學(xué)方法4.2.2 拓撲學(xué)方法4.2.3 分形幾何方法4.2.4 重正化群方法4.2.5 譜密度方法4.3 空隙空間分布描述的試驗方法4.3.1 壓汞法4.3.2 氣體吸附法4.3.3 X射線層析攝像法4.3.4 小角度X射線散射法4.3.5 光學(xué)法4.4 空隙分形的測試評價方法4.4.1 圖像分析法4.4.2 壓汞法4.4.3 X射線小角度散射法參考文獻第5章 瀝青混合料空隙力學(xué)特性5.1 不同狀態(tài)下空隙體積模量數(shù)學(xué)模型5.1.1 多孔瀝青混合料空隙模型概念化5.1.2 基于Betti定理的空隙體積模量數(shù)學(xué)模型5.1.3 空隙體積模量的溫度影響關(guān)系5.2 有限空隙力學(xué)特性5.3 空隙力學(xué)特性數(shù)值模擬5.3.1 模型的建立與參數(shù)的選擇5.3.2 骨料變形特性5.3.3 不同荷載下空隙變形特性參考文獻第6章 瀝青混合料空隙CT圖像解析6.1 基于CT技術(shù)的瀝青混合料數(shù)字圖像處理與識別6.1.1 瀝青混合料數(shù)字圖像的獲取6.1.2 瀝青混合料數(shù)字圖像的處理6.1.3 空隙的屬性表征與評價6.2 瀝青混合料CT圖像二維解析6.3 瀝青混合料CT圖像空間解析6.4 空隙級配分析法6.5 空隙的分形表達參考文獻第7章 瀝青混合料空隙分布特性7.1 試件制備與室內(nèi)試驗評價7.1.1 多孔瀝青混合料試件制備方案7.1.2 多孔瀝青混合料試件制備7.1.3 開級配瀝青混合料與SMA試件的制備7.2 瀝青混合料空隙橫向分布特性7.3 瀝青混合料空隙豎向分布特性7.3.1 空隙特征提取圖像分析7.3.2 空隙特征參數(shù)分析7.3.3 空隙豎向級配分析7.3.4 豎向空隙與橫向空隙對比分析7.3.5 空隙輪廓分維數(shù)與面積分維數(shù)關(guān)系分析7.4 瀝青混合料空隙空間分布特性7.4.1 空隙率的空間分布規(guī)律7.4.2 空隙等效直徑的空間分布規(guī)律7.4.3 空隙數(shù)量的空間分布規(guī)律7.4.4 空隙分維數(shù)的空間分布規(guī)律7.4.5 空隙級配走向規(guī)律分析第8章 瀝青混合料空隙分布影響因素8.1 礦料級配對瀝青混合料空隙分布特性的影響8.1.1 不同級配對瀝青混合料空隙分布特性8.1.2 空隙橫向分布與豎向分布的對比8.2 壓實功對瀝青混合料空隙分布特性的影響8.3 壓實方法對瀝青混合料空隙分布特性的影響第9章 多孔瀝青路面空隙衰變行為9.1 基于X-CT技術(shù)的空隙衰變試驗評價9.1.1 空隙分布對瀝青混合料劈裂抗拉強度影響9.1.2 瀝青混合料空隙分維數(shù)與滲透性能的關(guān)系9.1.3 多孔瀝青混合料空隙衰變行為探索9.2 基于連續(xù)介質(zhì)線彈性理論的空隙衰變模型9.2.1 具有空隙的線彈性材料理論9.2.2 基于連續(xù)介質(zhì)線彈性理論的瀝青混合料參數(shù)及其確定方法9.2.3 多孔瀝青混合料空隙衰變規(guī)律9.3 空隙衰變的龔帕斯模型及衰變行為9.3.1 空隙衰變的龔帕斯模型9.3.2 龔帕斯模型參數(shù)的確定9.3.3 基于龔帕斯模型的空隙衰變行為規(guī)律9.3.4 基于龔帕斯模型的空隙率預(yù)測模型參考文獻第10章 基于DEM的多孔瀝青路面空隙衰變規(guī)律10.1 瀝青結(jié)合料二維數(shù)字重構(gòu)及離散元模型10.1.1 瀝青結(jié)合料的數(shù)字重構(gòu)及離散元模型10.1.2 集料顆粒的數(shù)字重構(gòu)及離散元模型10.1.3 瀝青混合料的數(shù)字重構(gòu)及離散元模型10.1.4 不同空隙率瀝青混合料模型的生成10.2 間接拉伸試驗的數(shù)值模擬10.2.1 幾何模型的構(gòu)建10.2.2 試驗條件的模擬10.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析10.2.4 不同加載速率下間接拉伸試驗?zāi)M10.3 多孔瀝青路面力學(xué)響應(yīng)的數(shù)值模擬10.3.1 模型的建立與參數(shù)選擇10.3.2 力學(xué)響應(yīng)模擬10.3.3 不同荷載下空隙衰變的模擬參考文獻第11章 基于拓撲優(yōu)化方法的瀝青混合料細觀結(jié)構(gòu)設(shè)計11.1 瀝青混合料強度特性優(yōu)化11.1.1 瀝青混合料應(yīng)變能與空隙率關(guān)系11.1.2 瀝青混合料強度與應(yīng)變能關(guān)系11.1.3 瀝青混合料強度與空隙率關(guān)系11.2 瀝青混合料排水性能優(yōu)化11.2.1 瀝青混合料的滲透性與空隙關(guān)系11.2.2 基于拓撲優(yōu)化的滲透模型11.3 瀝青混合料降噪性能優(yōu)化11.3.1 輪胎／路面噪聲產(chǎn)生機理及控制方法11.3.2 基于降噪的瀝青混合料空隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化參考文獻

章節(jié)摘錄

　　1.2 瀝青混合料集料特性研究進展　　關(guān)于集料的研究，近年來隨著對瀝青路面性能研究的深入，越來越受到重視?！　鴥?nèi)外在此領(lǐng)域的研究成果大體可以分為試驗評價、定量評價和與性能相關(guān)的理論分析。從研究階段劃分來看，早期以室內(nèi)試驗評價為主，貫穿于對級配的研究，隨著SMA和OGFC等新型混合料類型的出現(xiàn)，逐漸引起關(guān)注，主要特征多限于表象學(xué)的經(jīng)驗方法；緊接著就是從20世紀(jì)90年代開始利用數(shù)字圖像技術(shù)的精細評價。目前對集料的研究可以說是十分重視，研究內(nèi)容和方法也日新月異。　　由The University of Texas at Austin和Texas A＆M University聯(lián)合設(shè)立的集料國際研究中心（ICAR）走在了該領(lǐng)域研究的前列，每年年會釋放的信息是該領(lǐng)域相關(guān)研究的前沿動態(tài)。　　過去幾十年來，國內(nèi)外在粗細集料的棱角性、表面紋理及粗糙度對于瀝青混合料配合比設(shè)計的影響方面開展過一定的研究，并且提出了一些相應(yīng)的試驗方法和理論結(jié)果?！　ao等提出了以下作為棱角指標(biāo)參數(shù)應(yīng)該具有的幾個屬性：與顆粒大小無關(guān)、對目標(biāo)不敏感、與材料強度特性相關(guān)的物理意義、對顆粒外形的變化敏感。研究認(rèn)為，集料的表面紋理和破碎礫石的破碎面比例對混合料性質(zhì)有較大的影響。礫石沒有棱角，且表面光滑，由其組成的瀝青混合料顆粒間缺乏嵌擠力，在荷載作用下容易產(chǎn)生滑移使路面出現(xiàn)車轍。當(dāng)瀝青路面不得不使用礫石時，必須將礫石破碎。對于一級和高速公路瀝青路面，需利用大礫石或圓石破碎的碎石時，碎石應(yīng)有90％～100％的破碎面。Herrin和Goetz使用三軸壓力試驗方法研究了集料形狀對HMA的影響，他們認(rèn)為隨著破碎集料含量的增加，瀝青混合料的抗拉強度也隨之增大，但對密級配混合料的影響卻很小?！　ield研究了粗集料破碎顆粒含量對HMA的影響。他指出，當(dāng)破碎集料含量從0％增加到45％的過程中，HMA的馬歇爾穩(wěn)定度變化很小；當(dāng)破碎集料含量繼續(xù)增加至100％的過程中，穩(wěn)定度會有明顯的增大。含100％破碎集料的HMA的穩(wěn)定度比含35％破碎集料的HMA的穩(wěn)定度增大55％。當(dāng)混合料中破碎集料含量變化時，VV和VMA變化很小?！　audette和Welke研究了粗集料破碎面對HMA的影響。研究表明，當(dāng)破碎集料含量從0％增加到50％時，無論破碎面?zhèn)€數(shù)多與少，HMA的馬歇爾穩(wěn)定度都會增加17％左右。然而，當(dāng)破碎集料含量超過50％時，隨著含有3個或3個以上破碎面集料含量的增加，HMA的馬歇爾穩(wěn)定度繼續(xù)增加，而含有1個或1個以上破碎面粒料的HMA馬歇爾穩(wěn)定度開始趨于平緩。

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