沥青混合料三维数字设计方法的研究

Three dimensional reconstruction and culculation was conducted to establish three dimensional digital aggregate database based on X-ray Computed Tomography and Computer-aided Simulation Technology. Aggregate packing was tried to obtain a gradation and aggregate contact was analyzed to get an optimum gradation and asphalt content. Three dimensional digital asphalt sample was constructed based Dissipated Particle Dynamics (DPD). Finite element analysis and virtual mechanical testing was conducted based on digital samples. According to virtual testing results, the aggregate gradation and asphalt content was adjusted to get an optimum mix design which will be compared with the results based on traditional method. It intends to develop a set of virtual technology to design asphalt mixture and predict its performance. The virtual technology includes three dimensional imaging, DPD compcation, digital sample reconstruction and virtual testing. It will improve the design quality and efficiency and decrease the cost. The research accomplishments can also be applied in construction material and structure, geotechnical material, composite material, metal product checking, fabrication precision and so on. It will promote the development of material industry technology.

基于X-射线计算机断层扫描设备和计算机模拟技术，对集料进行三维重构与计算，建立三维数字集料数据库。包装数字集料形成级配，通过集料接触嵌挤分析进行级配优化并确定最佳沥青含量。应用耗散粒子动力学（DPD）虚拟动态压实技术构建沥青混合料的三维数字试件。基于数字试件进行有限元（离散单元）分析与虚拟力学性能测试。根据虚拟测试结果调整沥青混合料集料的级配与沥青含量，得出沥青混合料的最佳配合比，并与传统设计方法相比较。研究旨在开发一套数字虚拟技术进行沥青混合料的设计和性能预测。数字虚拟成套技术主要包括三维数字图像技术、DPD动态压实技术、数字试件重构技术和虚拟测试技术。沥青混合料的三维数字化设计可以大幅度提高设计的质量和效率，降低设计成本。本研究成果也可应用于建筑工程材料与结构、岩土工程材料、复合材料、金属制品探伤与加工精度检验等研究领域，对促进整个材料工业技术发展具有重要的理论意义和推动作用。

沥青混合料的设计是影响沥青路面功能与寿命的关键环节。然而，当前沥青混合料设计方法存在很多的局限性。本项目基于X-射线计算机断层扫描设备和计算机模拟技术，对集料进行三维重构与计算，建立三维数字集料数据库。包装数字集料形成级配，通过集料接触嵌挤分析进行级配优化。沥青混合料内部每颗集料的等效直径、表面积和体积的计算为沥青混合料的设计，压实过程中的磨耗，最佳压实次数和沥青混合料平均沥青膜层厚度等研究打下了基础。. 实验室手段无法获得沥青混合料内部孔隙的分布，这使得以前很多的研究在设计与规范中只能局限于使用整体的平均孔隙率。采用先进的CT断层扫描设备对沥青混合料的孔隙进行三维分布计算与分析,对混合料的设计、施工质量监控及性能评价具有重要意义。. 长期以来，研究人员在连续介质模型研究时都是假设沥青混合料为各向同性，但是实际的沥青混合料微观结构却是各向异性的。基于虚拟技术构建了沥青混合料的三维数字试件，基于数字试件进行有限元分析与虚拟力学性能测试，突破了传统沥青混合料研究方法的局限性,从微观尺度研究了混合料结构对其性能的影响。应用CT断层扫描技术对沥青混合料内部结构进行三维重构与分析，是沥青混合料研究领域的重大进步。在沥青混合料研究领域引入CT断层扫描技术使得可以无损地重构与分析沥青混合料的内部微观结构，同时又能提高重构精度。. 研究开发了一套沥青混合料设计的虚拟技术，主要包括三维数字图像技术、数字试件重构技术和虚拟测试技术，可以大幅度提高设计的质量和效率，降低设计成本。本研究成果也可应用于建筑工程材料与结构、岩土工程材料、复合材料、金属制品探伤与加工精度检验等研究领域。