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1、基于細觀力學性能的功能型瀝青混合料研究第一章緒論1.1研究背景和意義隨著我國在交通基礎(chǔ)設施建設的大力投入，高等級公路里程逐年增加。瀝青路面作為一種無接縫和連續(xù)的路面結(jié)構(gòu)形式,具有行車舒適性良好，揚塵和噪音小，便于碾壓施工等眾多優(yōu)點，被廣泛應用于道路建設，是目前高等級路面面層結(jié)構(gòu)的首選形式，長期以來對瀝青混合料工程性能的研究和改善也是國內(nèi)外普遍關(guān)注的研究熱點和難點[1,2,3,4]。但是，工程實踐發(fā)現(xiàn)即使嚴格按照規(guī)范規(guī)定的設計方法來設計瀝青路面，且各項性能指標均滿足規(guī)范要求，所鋪筑瀝青路面的使用性能仍不盡如人意，相當數(shù)量已建的瀝青路面高速公路都不同程度出現(xiàn)了早期功能性的破壞，如車轍
2、、水損壞，以及疲勞破壞等。大多數(shù)的瀝青路面的實際使用壽命遠遠沒有達到其設計壽命，在通車早期就不得不進行大修，甚至重建。造成瀝青路面的實際使用性能達不到預期目的的原因很多，比如氣候環(huán)境惡劣、超載現(xiàn)象嚴重、瀝青混合料設計和施工的缺陷等。大規(guī)模、高頻率的早期損壞現(xiàn)象不但降低了瀝青路面使用壽命，增加了建設和養(yǎng)護成本，而且給社會和經(jīng)濟的和諧發(fā)展造成非常大的影響。導致瀝青路面出現(xiàn)早期損壞的原因之一就是瀝青混合料設計方法的問題。目前瀝青混合料設計方法更多的遵循性能權(quán)衡設計原則，即兼顧考慮多種路用功能設計，這造成對每一種路用功能的設計都不徹底。而功能型瀝青混合料設計方法在一定程度上與原先諸多瀝青
3、混合料設計方法都有所區(qū)別，這種設計方法突破了遵循性能權(quán)衡設計原則，更強調(diào)功能的針對性設計，針對路面使用需求進行功能型瀝青混合料的設計。功能型路面最初可追溯至上世紀九十年代末美國瀝青路面協(xié)會（APA）提出的永久式路面的基本理念（PerpetualPavement）[5]。所謂永久式路面是指，所有可能的路面損壞通常都發(fā)生在表面層，僅通過簡單的面層維修或更換，使路面結(jié)構(gòu)的使用壽命達到40~50年。永久性瀝青路面的意義不僅僅在于概念本身，更重要的是間接提出了瀝青混合料的結(jié)構(gòu)功能要求。這個理念給我們許多有價值的啟示，其中之一就是為了實現(xiàn)路面的長壽命，需對路面各結(jié)構(gòu)層進行力學分析，并根據(jù)各結(jié)
4、構(gòu)層的受力狀態(tài)，按結(jié)構(gòu)的功能要求設計出具有不同力學功能要求的瀝青混合料，如圖1-1所示。也就是說長壽命的瀝青路面需要合適的結(jié)構(gòu)以及功能型的瀝青混合料，需要開發(fā)功能型的瀝青混合料，從而能夠充分發(fā)揮瀝青混合料不同的功能要求。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)外學者對瀝青混合料細觀結(jié)構(gòu)及其細觀力學行為的研究主要有以下三種方法。一是從復合材料細觀力學理論出發(fā)，研究瀝青混合料各組分材料細觀特征對其宏觀力學性能的影響，并建立相應的定量關(guān)系[7,8,9,10]?，F(xiàn)有較成熟的理論有自洽理論[11]、Mori-Tanaka方法[12]、Eshelby等效夾雜理論[13,14]，以及微分介質(zhì)方法[15]
5、等。二是利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，采用CCD數(shù)碼相機拍照或X-rayCT無損傷掃描這兩種方法采集瀝青混合料的切片圖像并進行一系列處理，獲取混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成以及細觀特性信息等。還有一種就是數(shù)值分析方法，借助有限元、離散元等方法進行數(shù)值模擬和分析。綜合分析現(xiàn)有研究成果表明，由于分析模型與瀝青混合料真實結(jié)構(gòu)等多方面差異的原因，不論采用何種復合材料細觀力學模型都難以準確預測瀝青混合料的細觀力學行為，需要借助其它理論對預測結(jié)果進行修正，才能使預測值和試驗值相接近。數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)值分析可反映瀝青混合料的不連續(xù)性和不均勻性，對瀝青混合料細觀結(jié)構(gòu)的分析有著直觀方便、信息量大，能夠克服傳統(tǒng)試驗
6、的不足等優(yōu)勢，因而得到許多道路工的關(guān)注并不斷取得新的研究進展。.第二章瀝青混合料細觀結(jié)構(gòu)研究方法2.1數(shù)字圖像處理技術(shù)簡介數(shù)字圖像處理技術(shù)的原理是經(jīng)抽樣和離散化過程將真實世界的圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，并借助計算機對數(shù)字圖像進行特定的處理與分析。由實際物體的真實影像獲取數(shù)字圖像需經(jīng)歷兩個基本步驟，先通過光學及電子器件圖像采集系統(tǒng)獲得物體真實影像的傳感數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一量化，隨后則是將量化的數(shù)字圖像進行數(shù)學表達與存儲，使其能夠被還原以及進行數(shù)學處理。數(shù)字圖像一般分為彩色、灰度以及二值化圖像等幾種，對于常用的灰度圖像，每個像素點亮度取值區(qū)間為[0,255]，其中0代表黑色，255代
7、表白色。數(shù)字圖像的信息經(jīng)處理后被量化并存儲在一個二維矩陣中，見圖2-1[80]。隨著計算機應用與攝像技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理與分析逐漸在很多學科領(lǐng)域得到了廣泛應用。在道路材料領(lǐng)域，應用數(shù)字圖像處理技術(shù)能夠精確描述混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，如集料顆粒形態(tài)特性、集料和空隙的在混合料內(nèi)部的分布特性，以及對瀝青混合料進行三維重構(gòu)，進行虛擬力學模擬和數(shù)值試驗，從而更深入地了解瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學性能。國外較早應用數(shù)字圖像技術(shù)對瀝青混合料進行研究，如MasadE、ora、吳文亮等[30,
