基于多级分散系与内部结构特性的沥青混合料流变性能预测研究

Asphalt mixture, as a typical rheological material, it's mechanical properties can be expressed by means of experiential tests and rheological models, however, the laboratory tests are usually more costly and time consuming than other methods. The overall mechanical properties of asphalt mixture have tight relationship with properties of inclusions and characteristics of microstructures. Firstly, multiscale ananlysis of inclusions will be empolyed below the macroscale of asphalt mixture, the inreraction mechanism between inclusions is analyzed and internal structuralization characteristics is exposed, evaluation indices can express that are developed. In addition, the internal structure of asphalt mixture specimens is identidied using X-ray computed tomography technique and image processing technique, which can discriminate the internal structure characteristics of inclusions, and futhermore a rheological micromechanics model of asphalt mixture considering the mechanical behaviors of inclusions, interaction mechanism between inclusions, internal structuralization, microstructure characteristics is established. Finally, the relationship between mechanical behaviors of inclusion, microstructure characteristic, design parameters of mixtures and rheological properties are analyzed quantitatively based on the proposed rheological micromechanics model of asphalt mixture, composition design of asphalt mixture derived from macroscale properties optimazition is implemented. Moreover, the effect of interface damage between inclusions on rheological properties is analyzed, a rheological micromechanics model considering interface damage is presented and the behaviors of interfacial damage to crack is explored. The achievements will been maken in the research can supply the scientific theory foundation with composition design of asphalt mixture that microscale information of inclusions is taken into account.

沥青混合料是一种典型流变材料，采用经验性试验和流变模型可表征其特性，但试验研究却耗费了大量能源和时间。考虑到沥青混合料的宏观性能同其组分相性能和细观结构特征等密切相关，本项目首先以沥青混合料组分相分级为基础，分析组分相间作用机制，明确内部结构化特性，建立表征该机制和特性的评价指标；再则利用X-ray CT技术和图像处理技术识别沥青混合料试件内部结构，弄清组分相细观结构特征，以此建立考虑组分相性能、组分相间作用机制、内部结构化特性及细观结构特征的流变性能细观力学预测模型；最后基于沥青混合料流变性能细观力学预测模型定量分析组分相性能、细观结构特征及混合料设计指标等与流变性能之间的关系，实现性能优化的沥青混合料组成设计，分析组分相间可能存在的界面损伤对流变性能影响，建立表征界面损伤的流变性能细观力学模型及查明界面损伤开裂行为。项目研究成果可为考虑材料细观信息的沥青混合料组成设计提供科学理论依据。

沥青混合料的宏观性能同其组分相性能和细观结构特征等密切相关，本项目力图以沥青混合料组分相分级和细观力学为基础，弄清内部结构特征，以此实现考虑材料细观信息流变性能预测和性能优化的沥青混合料组成设计。.（1）利用CT技术获取了沥青混合料的内部结构空隙率特征，提出了沿着试件高度方向3段式划分方法，分析了各部分的层数所占百分比和计算空隙率对沥青混合料试件整体计算空隙率影响，定义了部分贡献值，由此建立了沥青混合料空隙率预测方法，并明确了中部层数所占百分比与中部计算空隙率，以及中部计算空隙率分布对沥青混合料整体计算空隙率具有重要控制作用。.（2）利用CT技术识别了沥青混合料各组分内部结构特征，以粗集料、沥青砂浆和空隙各组分的密度和面积为主要特征参数，提出了沥青混合料均匀性评价指标，建立了沥青混合料均匀性评价方法以及考虑沥青混合料均匀性的最佳沥青用量确定方法。应用均匀性评价方法可以评价单一或一组沥青混合料试件的内部结构均匀性，检验具有相同成型方法、相同配比的一组沥青混合料试件的制作差异，判定试件内部结构均匀性薄弱的位置；采用建立的最佳沥青用量确定方法与根据现行马歇尔设计方法分析得到的混合料最佳沥青用量差值较小。.（3）将沥青胶浆视为由沥青基体和矿粉夹杂相组成的两相复合材料，基于简化的Christensen-Lo模型有效模量解答，应用广义Maxwell模型和黏弹性对应原理，建立了沥青胶浆动态剪切模量预测的细观力学模型，分析了模型参数对预测值的影响。对于矿粉体积分数较高时，采用逾渗理论对提出的预测模型进行了修正，弄清了矿粉弹性模量对预测值的影响较小，增大矿粉体积分数可以有效地提高预测值。.（4）基于时间—温度等效原理将不同温度下沥青混合料的动态模量和蠕变柔量进行平移形成主曲线，采用广义Maxwell和Kelvin模型分别模拟沥青混合料的松弛和蠕变特性，利用配置法和Laplace变换实现两种黏弹性主曲线的相互换算，并将换算结果与试验结果进行了比较表明，广义Maxwell和Kelvin模型可以较好地模拟沥青混合料黏弹性主曲线，并且其与试验主曲线规律基本一致。 .（5）基于VC++语言，采用Microsoft Visual Studio和Matlab软件开发了可以实现沥青混合料的空隙率预测、均匀性评价及最佳沥青用量计算等功能的软件，实例测试分析结果表明了软件运行计算的准确性。