（道路与铁道工程专业论文）多孔排水沥青混合料空隙精细描述与分布特性研究.pdf

摘要 本论文是在国家自然科学基金项目( 资助编号：5 0 6 0 8 0 0 6 ) 与交通部交通应用基础 研究项目( 资助编号：2 0 0 63 1 9 8 1 21 2 0 ) 的共同资助下完成的。 众所周知，沥青混合料由集料、沥青、与不同尺寸和形状的空隙组成，混合料的路 用性能不仅受到v v 、v m a 、v c a 等体积因素的影响，且与这些组成要素的大小和空间特 性相关，传统的体积设计方法和参数并不能全面反映混合料的所有空隙信息。因此，本 文选用空隙率较大的多孔排水沥青混合料作为载体，采用计算机层析扫描技术、数字图 像处理技术和分形理论对其空隙空间信息进行深入研究，以揭示其对混合料性能的影 响。 论文采用空隙率、空隙等效直径、空隙轮廓分维数与空隙面积分维数等参数分析了 多孔排水沥青混合料中空隙在横向、竖向及空间的分布特性及规律，发现空隙轮廓分维 数总是大于空隙面积分维数；空隙等效直径主要分布在3 m m 9 m m 之间，其平均值位 于3 m m - - 5 m m 之间；并建立了多孔排水沥青混合料的空隙级配图；还发现混合料试件 横向空隙率大于竖向空隙率，且横向的空隙平均等效直径都大于竖向空隙平均等效直 径，由此得出沥青混合料横向排水能力大于竖向排水能力的结论。同时，论文从矿料级 配、压实功、压实方法三个方面分析了其对沥青混合料空隙分布特性的影响，提出了采 用空隙率纵向分布标准差作为判别沥青混合料离析的评价指标。通过采用不同的击实次 数来分析压实功对沥青混合料空隙分布的影响，发现沥青混合料试件在双面击实5 0 次 的基础上，再增加击实次数对混合料空隙率影响不大，但是空隙大小分布更加均匀。采 用击实法与碾压法两种沥青混合料成型方法的对比试验发现，击实方法制作的试件比碾 压成型方法制作的试件，其内部空隙的分布更加均匀。此外，论文采用分形理论与劈裂 抗拉强度试验，建立了空隙率与空隙轮廓分维数的关联方程，发现空隙轮廓分维数随着 空隙率的增大而减少；还建立了空隙轮廓分维数与劈裂抗拉强度的关系式，发现沥青混 合料劈裂抗拉强度随着空隙轮廓分维数的增加而增大，且可以采用上述关系式相互验证 其正确性。另外，还可以采用空隙轮廓分维数来解释沥青混合料试件在材料组成与空隙 率一致的情况下，强度不一样的深层原因。 此外，论文通过轮辙试验对多：l j j i e 水沥青混合料空隙衰变行为进行了探索，发现车 辙板试件碾压后空隙率与空隙等效直径都比碾压前要小；且碾压后空隙轮廓分维数和面 积分维数都比碾压前要大。 关键词：多孔排水沥青混合料、空隙分布、计算机层析扫描技术、数字图像处理、分形理论、 空隙率、空隙率纵向分布标准差、空隙等效直径、空隙轮廓分维数、空隙面积分维数、劈裂抗拉强 度、压实功、压实方法、矿料级配、横向分布、竖向分布、空间分布、空隙衰变行为 a b s t r a c t t h ep a p e ri ss u p p o s e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n 伊r o j e c tn u m b e r ：5 0 6 0 8 0 0 6 ) a n d t r a n s p o r t a t i o na p p l i e db a s i cr e s e a r c hp r o j e c to fm i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n s ( p r o j e c tn u m b e r ：2 0 0 6319 8 1 21 2 0 ) a s p h a l tm i x t u r ec o m b i n ea g g r e g a t e s ，a s p h a l t ，a i rv o i d sa n dt h em i c r o c r a c k so fd i f f e r e n ts i z e sa n d s h a p e s t h er o a dp e r f o r m a n c eo ft h em i x t u r ei sn o to n l ys u s c e p t i b l et ot h ev o l u m ef a c t o r ss u c ha sv v v m a ，v c ab u ta l s or e l a t e dt ot h ep e r c e n t a g ea n dd i s t r i b u t i o no fi t sc o m p o n e n t s h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a l v o l u m e t r i cd e s i g no n l yc a ni n d i c a t et h ev a l u eo fv vv m a ，v c a b u tn o tg i v ea l lt h ei n f o r m a t i o no fa i r v o i d s a sar e s u l t ，t h ed i s s e r t a t i o nc h o o s e sp o r o u sd r a i n a g ea s p h a l tm i x t u r ew i t hab i g g e ra i rv o i dr a t i oa s a no b j e c ta n de x p l o r e ss p a c ei n f o r m a t i o no fa i rv o i dd e e p l yu s i n gc o m p u t e rt o m o g r a p h ys c a n n i n g t e c h n o l o g y , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n df r a c t a lt h e o r y t or e v e a li t se f f e c to nm i x t u r ep e r f o r m a n c e u s i n ga i rv o i dr a t i o ，a i rv o i de q u i v a l e n td i a m e t e r , a i rv o i do u t l i n ef r a c t a ld i m e n s i o na n da i rv o i da r e a f r a c t a ld i m e n s i o n ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h ed i s t r i b u t i o no fa i rv o i di nh o r i z o n t a lo rv e r t i c a ld i r e c t i o n a n di t ss p e c i a ld i s t r i b u t i o n t ot h ee n d ，i td i s c o v e r st h a ta i rv o i do u t l i n ef r a c t a ld i m e n s i o ni sa l w a y sl a r g e r t h a na i rv o i da r e af r a c t a ld i m e n s i o n ，a n da i rv o i de q u i v a l e n td i a m e t e ra r eo f3 m mt o9 m mw i t ht h e m e a n v a l u eb e t w e e n3 m ma n d5 m m a tt h es a m et i m e ，t h ea i rv o i dg r a d u a t i o nd i a g r a mo fp o r o u sd r a i n a g e a s p h a l tm i x t u r ei sg i v e ni nt h ed i s s e r t a t i o n a l s ot h ed i s s e r t a t i o no b t a i n e dt h a tt h eh o r i z o n t a la i rv o i dr a t i o a r eg r e a t e rt h a nt h a to fv e r t i c a la g g r e g a t eg r a d u a t i o ni nt h es a m p l ea n dp r o p o s e dt h a tt h ed r a i n a b i l i t yi s s 仃o n g e ri nh o r i z o n t a ld i r e c t i o nt h a nv e r t i c a ld i r e c t i o ni na s p h a l tm i x t u r e i na d d i t i o n ，i nr e s p e c to f a g g r e g a t eg r a d a t i o n ，c o m p a c t i o ne f f o r ta n dc o m p a c t i o np r o c e s st h ep a p e ra n a l y z e dt h e i ri n f l u e n c e so na i r v o i d sd i s t r i b u t i o ni np o r o u sd r a i n a g ea s p h a l tm i x t u r ea n dp r o p o s e dt h ea i rv o i dr a t i ol o n g i t u d i n a l d i s t r i b u t i o ns t a n d a r dd e v i a t i o na st h en o r mf o re v a l u a t i n gt h es e p a r a t i o no fa s p h a l tm i x t u r e i ta n a l y z e dt h e i n f l u e n c eo fc o m p a c t i o ne f f o r to na i rv o i dd i s t r i b u t i o nu s i n gc o m p a c t i o n si nd i f f e r e n tn u m b e r so ft i m e si n a s p h a l tm i x t u r ea n do b t a i n e dt h a tt h ei n c r e a s i n go fc o m p a c t i o nq u a n t i t i e sb a s e do n5 0t i m e sh a dl i t t l ee f f e c t o na i rv o i dr a t i ob e s i d e sm a k i n gt h ea i rv o i ds i z e sm o r eh o m o g e n e o u s m o r e o v e r ，c o m p a r i n gw i t ht h e s p e c i m e n sw h i c ha r em a d eb yc o m p a c t i o np r o c e s s ，t h eo n e so b t a i n e db yr o l l e rc o m p a c t i o nh a v em o r e u n i f o r md i s t r i b u t i o no fa i rv o i d sb yc o n t r o le x p e r i m e n t s t h ee q u a t i o nr e l a t i o nb e t w e e na i rv o i dr a t i oa n d a i rv o i do u t l i n ef r a c t a ld i m e n s i o ni sg i v e na c c o r d i n gt of r a c t a lt h e o r ya n dt h es p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t ht e s t a n di ti sd i s c o v e r e dt h a tt h ea i rv o i do u t l i n ef r a c t a ld i m e n s i o nr e d u c e sw i t hab i g g e ra i rv o i dr a t i o b e s i d e s ， t h er e l a t i o ne x p r e s s i o no fa i rv o i do u t l i n ef r a c t a ld i m e n s i o na n dt h es p l i t t i n gt e n s i l ee q u a t i o ni sr e c e i v e d a n di ti se v i d e n tt h a tt h es p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t ha u g m e n t sw i t ht h ea u g m e n t a t i o no fa i rv o i do u t l i n ef r a c t a l d i m e n s i o n f u r t h e r m o r e ，t h e i rv a l i d i t yc a nb ei n s p e c t e db yt h ee q u a t i o n sa b o v e a tt h et i m e ，i tc a nb eu s e d t oe x p l a i nt h ed i f f e r e n ts t r e n g t hw h e ns p e c i m e n sh a v et h es a n l em a t e r i a l sa n da i rv o i dr a t i o i na d d i t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o ne x p l o r e st h ed e c a yo fa i rv o i dt h r o u g ht h er u t t i n gt e s ti np o r o u sd r a i n a g e a s p h a l tm i x t u r e i ti sf o u n dt h a ta i rv o i dr a t i oa n da i rv o i de q u i v a l e n td i a m e t e rb e c o m es m a l l e rb u ta i rv o i d o u t l i n ef r a c t a ld i m e n s i o na n da r e ab e c o m eb i g g e ra f t e rr o l l e rc o m p a c t i o n i i i k e yw o r d s ：p o r o u sd r a m a g ea s p h a l tm i x t u r e ；a i rv o i dd i s t r i b u t i o n ；c o m p u t e rt o m o g r a p h ys c a n n i n g t e c h n o l o g y ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ；f r a c t a lt h e o r y ；a i rv o i dr a t i o ；a i rv o i dr a t i ov e r t i c a ld i s t r i b u t i o n s t a n d a r dd e v i a t i o n ；a i rv o i de q u i v a l e n td i a m e t e r ；a i rv o i do u t l i n ef r a c t a ld i m e n s i o n ；a i rv o i da r e af r a c t a l d i m e n s i o n ；s p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t h ；c o m p a c t i o ne f f o r t ；c o m p a c t i o np r o c e s s ；a g g r e g a t eg r a d a t i o n ； h o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o n ；v e r t i c a ld i s t r i b u t i o n ；s p a c ed i s t r i b u t i o n ；d e c a yo fa i rv o i d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：豫专争 细扩年名月r 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：砝去 潲年月厂日 导师签名： 长安大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1研究目的与意义 高等级公路路面结构不仅要具备足够的结构性能抵御千百万次行车荷载的重复作 用，还必须具有良好的表面功能以保证车辆高速行驶时具有充分的舒适性和安全性。此 外，现代交通还要求路面雨季表面不积水，高速行车不产生水雾，阳光照射下表面不产 生眩光，从而妨碍驾驶人员的视线，降低高速行驶的安全性。 具有较大空隙的沥青路面适应了这一需求，由于该种路面能很快地排除路表水，所 以这种路面一般称为排水性沥青路面( d r a i n i n g a s p h a l tp a v e m e n t ) 。又因为其空隙率大， 故又称为多孔沥青路面( p o r o u sa s p h a l tp a v e m e n t ) 。由于多孔性沥青路面具有降低噪声 的功能，通常可降低噪声3 d b 左右，因而又称其为低噪声沥青路面( l o w n o i s ea s p h a r p a v e m e n t ) 或宁静路面( q u i e tp a v e m e n t ) 。 多孔沥青混合料的研究和应用最早起源于欧洲，上世纪6 0 年代首次在德国铺筑， 一般空隙率可达到1 5 - - - 2 5 。美国着眼于解决路面的表面功能和安全性能，对此进行了 深入研究，首次提出了0 g f c ( 即开级配抗滑磨耗层) 的概念。 自8 0 年代起，这种沥青路面开始在欧洲、北美、澳大利亚等国家得到了广泛的应 用。日本从8 0 年代末开始研究这种路面，真正实施于1 9 8 7 年，1 9 9 3 年成立了排水性铺 装研究会，1 9 9 6 年日本道路协会编制出版了排水性铺装技术指南( 草案) ，用于指导 施工。国内在9 0 年代末开始研究这种路面，并在西安、广州等地的高等级公路先后铺 筑了试验段，但基本上都是借鉴国外的经验和方法，五年前通车的西安咸阳机场高速公 路就是引进日本o g f c 排水性沥青混凝土路面技术修筑而成。 按照国内有关研究的结论，排水路面将是未来南方多雨地区的主要选择，从路面技 术角度，对于降低道路交通事故和减少道路噪声污染具有积极意义。可以预料，排水沥 青路面未来将在我国的很大部分地区得到进一步应用。目前排水沥青路面尚未普及的主 要原因为其耐久性问题。 就排水路面性能随时问变化的研究，意大利认为排水路面的使用寿命约为5 - - 8 年； 而法国对重交通排水沥青面层的应用调查表明，使用7 年后其抗车辙及剥落性能仍令人 满意，而使用2 8 个月后空隙率由2 0 下降为1 6 ，然后便逐渐稳定在1 5 ，排水能力 和降噪效果因此产生了较大幅度的降低。日本于1 9 8 7 引进该项技术，最初的排水路面 因交通繁忙、气候恶劣、骨料来源困难等原因，导致路面使用一年之后空隙损坏和堵塞 第一章绪论 而使性能衰退，近年来日本结合本国荷载、环境条件进行了具体研究，尤其是使用高粘 度沥青之后，耐久性能显著提高，成功的案例使用寿命可达1 0 年。目前日本在排水沥 青路面的铺筑水平、铺筑总量比重都领先于世界其它各国。 因此，排水性路面的使用寿命一直是一个悬而未决的问题，业内专家对此意见不一。 一些专家认为，排水路面既然作为功能性表面层，只要寿命周期内经济合理，设计寿命 可以短一些，功能不满足要求时重新铺面；另一些专家认为排水路面既然作为结构层， 不管初始代价多大，寿命就应该足够长，如果能够与普通沥青混凝土路面寿命相同则最 为理想。上述两种截然不同的意见实际上在技术上归结为排水路面的使用性能变化规律 问题。通过研究，寻求路面排水功能、路面结构的力学性能和耐久性能之间找到平衡点， 成为解决问题的关键所在。 排水路面优良的使用性能来源于其具有连通的大结构空隙，骨料( 包括外面裹附的 沥青胶浆) 之间的接触关系为点点、点面和面面接触交织在一起。荷载作用下，点接触 将向面接触演化，由不稳定趋于稳定，骨架因此变形。骨架的变形导致空隙的变化，包 括空隙量的变化和分布的变化，即结构空隙随时间的衰变问题( 由于材料空隙对排水路 面使用性能影响不大，因此这里主要考虑结构空隙) 。空隙衰变到一定程度后，在荷载 作用下空隙崩溃，路面就即将引起骨料的松散和车辙变形，优良性能难以为继，设计寿 命无法保证。 过大的空隙率将加快路面的老化，增加水损害；过小的空隙率又会影响骨架的稳定， 导致混合料高温稳定性不足。在排水路面开级配混合料中，渗透性与其强度将成为一对 难以调和的矛盾体，而不是密级配中的统一体。因此在保证排水沥青路面的高渗透性的 前提下，如何协调好结构空隙的分布与衰变，也即渗透性与强度的矛盾将成为新的课题。 对文献分析后发现，对于排水路面的研究，大多数研究者局限在固有的模式与思路， 研究内容集中在排水路面的路用性能，及空隙率对其影响。然而，众所周知，沥青混合 料由集料、沥青、空隙和不同尺寸和形状的微裂纹组成，混合料的这些特征不仅受到v v 、 v m a 、v c a 这些体积因素的影响，还受到这些组成部分的大小和空间分布的影响，但是， 传统的体积设计只能说明w 、v m a 、v c a 的体积值，这些指标不能表达混合料的所有空 隙信息，而对于更深层次的空隙空间分布，及其对路用性能的影响，无论是在排水路面 还是普通沥青混凝土路面，研究甚少。因此，本项目选用空隙率较大的排水沥青混合料 作为载体，采用计算机层析扫描技术、数字图像技术和分形理论对沥青混合料的空隙空 间信息进行深入研究，以揭示空隙之于沥青混合料的本质属性和内在规律。 2 长安太学碗士学位论文 1 2 国内外研究现状 12i国外关于空隙问题的最新研究进展 对沥青混合料空隙空间分布的研究，国内外开始均较晚。1 9 9 8 年，美国联邦公路局 研究中心( f i v r c ) 成立s i m a p ( s i m u l a t i o n ，i m a g i n i n ga n dm e c h a n i c so fa s p h a l t p a v e m e n t ) 项目研究小组，以三维图像技术为核心，全面研究沥青混合料的体积组成特 性，研究涉及的范围较广，大体可以分为石料形态描述，钻芯取样结构特征提取，芯样 空隙识别，芯样三维结构还原等几个方面，但是由于缺乏可有效借鉴的经验且采用三 维图像数字处理技术所需的技术设各十分复杂，该小组目前研究工作进展缓慢。 m a s a d 。e 【o ) 4 m i 在2 0 0 2 年，采用c t 技术( 图1 1 ，图1 2 ) 和图像分析技术( 图 1 3 ) 研究了沥青混合料试件在不同深度范围内的空隙分布。 量一 图1 1 ( t 的扫描工作原理 图1 2 沥青混合料c t 图像的水平截面图1 3 经图像处理的c t 图像 ( 黑色部分为空隙) 并用w e i b u l l 统计模型( 如式1 1 ) 进行了描述。 ，( f ) = ；( 争”_ ”o ( 1 1 ) f 一分布密度函数，t 一位胃参数，卢一形状参数，0 一尺度参数 第一章绪论 该模型描述了混合料的空隙分布，并用此模型研究了混合料试件的压实效果、压实 方法和集料的大小分布对空隙的影响。研究发现，试件的压实效果对空隙大小的分布有 重要的影响，用s g c 压实的混合料试件的空隙分布并不均匀，表现出一个“浴盆形 状，更多的内部空隙集中在混合料的顶部及底部，同时大的空隙也分布在试件的上部和 下部，并且这种现象在较高的压实效果下更加明显，此外，集料的大小尺寸对空隙大小 也有明显的影响。在2 0 0 6 年，又采用两种不同的集料类型( 石灰岩和花岗岩) 分析了 沥青混合料水损害、空隙结构、空隙压力和结合料的粘聚力和粘附力( c o h e s i v ea n d a d h e s i v eb o n de n e r g i e s ) 之间的关系，通过采用不同的级配获得了混合料不同的空隙分 布，用断裂力学参数评价了水损害，使用c t 和图像分析技术分析了空隙分布，用空隙 分布的统计参数表征了混合料的渗透性。并用空隙分布和结合料的粘聚力和粘附力解释 了石灰岩和花岗岩沥青混合料的水损害的不同点。 a r a m b u l ae t 4 】采用两种不同的级配和用s g c 两种不同的压实角度制备沥青混合料 试件，评价了沥青混合料空隙分布与水稳性的关系；通过对试件进行了局部修剪，采用 c t 技术获得试件的内部结构扫描图像，并用数字图像分析技术定量研究了空隙分布和 连通性。此外还采用断裂理论评价了混合料试件在干燥和潮湿条件下破坏状态。 a 1 一o m a r ia t 5 】采用c t 技术和图像处理技术，研究了沥青混合料的渗透性与空隙的 三维分布之间的关系，根据空隙的分布特性定量研究空隙的连通性、水流的不规则流动 路径、有效空隙率和精确的空隙表面积，并用修正的k o z e n y - c a r m a n 方程预测沥青混合 料的渗透性，并进一步简化了此渗透方程，采用空隙率和集料的级配来预测混合料的渗 透性，且预测的数值与实验室和现场测试的渗透性有良好的相关关系， h a l lk d n gh g 6 】利用粗级配的s u p e r p a v e 混合料和“变水头渗透仪做了空隙路 径试验( v o i dp a t h w a yt e s t ) ，研究了沥青混凝土空隙路径和渗透性的关系。试验原理如 下：采用一种肥皂液涂在试件表面，在空气流出的地方会产生气泡，空隙路径和特征与 试件表面产生的气泡数量和大小有关。通过对4 3 个沥青混凝土试件的分析，表明，试 件周界上产生的气泡比横截面上要多，并且周界上产生的大多数气泡位于横截面表面以 下2 5 m m 之内i 并且试件横截面表面产生的气泡数量、角度和相互之间的连通性没有明 显的识别模式。研究结果表明，空隙路径不是水平的，也不是垂直的，而是复杂的和旋 绕的，多数朝着试件的周界面上，这种发现可能对传统的采用达西定律来计算渗透性是 一种挑战。 w a n gl b l7 】结合西部环道混合料的早期损坏现象，采用c t 图像技术和体视学方法 4 长安 学碗士学位论文 评价了美国西部环道混合料试件的空隙系统，定量研究了混合料的空间体积含量和空隙 大小分布( 图1 4 和图1 5 ) ，并发现了一些表征混合料内部结构和性能的参数。 图1 4 沥青混合料试件图1 5 沥青混合料内部空隙的三维空间分布 t a s h m a l 1 8 l 也采用图像技术研究了沥青混合料的空隙分布状态，此外还研究了集 料的方位分布、接触状态、形状特性、混合料的渗透性、裂缝分布、微观结构的三维重 构和微观结构的演化，结果表明，沥青混合料的微观结构对其宏观性能有着不同程度的 | 影响。 h o k a r i ，k o z o 口! 采用声音吸收频谱( s o u n da b s o z p t i o ns p e c t r u m ) 研究了排水沥青路 面空隙的内部结构和功能，并用该参数预测了排水沥青路面的渗透性能。 m u r a l i k f i s l m a n ，j 1 0 1 应用线弹性材料理论模拟恒温下沥青混凝土，研究了两种空隙 衰减情况：一种是在恒载下空隙体积的渐近衰减，另一种则达到了极限空隙率。并用模 型预测了恒定压应力作用时的蠕变行为及得到滞后的应力应变行为。 此外，在不同领域中，由于空隙分布的复杂性，先后有众多研究者涉足进行研究， 做了大量工作，如m a r t i n 、c o h e n 和m e t 卸e r 、v o f f l n o y e r 、s c h u s t e t 、g o v i n d a r a o 和m u c l l e r 等建立了非常多的空隙分布数学模型，这些模型方法各异，精度与性能不一。在这些模 型的基础上，m u e l l o r 、r o b l e e 、b o n e m a t i 、b r o s i l o w 和r i d g w a y 进一步进行了研究t 提 出了空隙分布的衰变模型。不过这些模型有其局限性，大多只适用于其最初的基础行业， 不能直接应用于沥青混合料的空隙空间分布分析，但其分析方法和思想值得借鉴。 目前，国内对沥青掘合料空隙空间分布研究，还处于技术探索阶段，主要集中在沥 青混合料空隙率的研究，其中包括空隙模型、空隙率的影响因素、空隙率对沥青混合料 路用性能的影响等方面。此外，针对空隙的研究方法，在边缘学科也开展了一些探索研 究。 第一章绪论 1 2 2 沥青混合料空隙模型的研究进展 关于沥青混合料空隙模型的研究，国内研究起步较晚，研究成果也较少，同济大学 的颜强采用分形理论研究了沥青混合料空隙的分形特征以及空隙特征的分形模型。 目前，对于空隙模型的研究成果主要集中在其边缘学科，其中关于多孔介质空隙模 型的研究，胡雪蛟【1 2 】根据逾渗理论提出了多孔介质的概率模型，并用重正化的方法分析 了简单三维立体多孔结构的临界概率。黎水泉【1 3 】研究了双孔双渗介质弹性变形的流固耦 合渗流模型，并推导了双重孔隙介质非线性流固耦合渗流的有限元计算格式，编制了计算 机程序，并模拟了单孔隙、双重孔隙、常系数线性和变系数非线性等流固耦合渗流计算。 王达健【1 4 】对多孔介质孔隙模型一毛细管模型进行了研究，认为毛细管模型作为多孔介质 孔隙模型存在一定不足，不能很好地完成定量预测的目的。 关于岩土介质孔隙模型的研究，周宏伟与谢和平【1 5 】在该领域做了大量的研究工作， 1 9 9 7 年根据分形理论，提出了一个描述多孔介质孔隙空间分布的随机分形模型，并根据 其构造方法，建立了孔隙度、比表面积与体积分形维数的关系。还利用压汞实验结果初 步验证了孔隙的空间分形分布特征，同时根据文中提出的随机分形模型合理解释了压汞 实验中的某些物理现象。在此基础上于1 9 9 8 年对岩土介质的孔隙进行了研究，将孔隙 抽象为孔隙堆积体模型，用重正化群的方法研究了岩土介质的渗流问题，得出了临界孔 隙率的定量计算方法，并对其计算方法进行了验证。徐献芝【2 0 】在k e l v i n v o i g t 模型的基 础上建立了考虑土体孔隙比的非线性本构关系，研究了考虑结构性( 孔隙比) 因素后，初 始孔隙比对应变一时间关系曲线存在影响；并在处理岩土力学问题上，提出以多孔介质观 点代替经典的连续介质观点。张向东【2 l 】利用分形几何理论研究黄土增湿湿陷过程中孔隙 变化规律，提出了有效孑l 隙率随时间、位移变化的数学模型。彭振斌【2 2 】根据分形理论构 造了砂卵砾石的孔隙分形模型，研究了砂卵砾石层颗粒分维、孔隙分维和孔隙度以及它 们之间的关系，并研究了砂卵砾石颗粒分维、孔隙分维和孔隙度的计算式。谢丛姣【2 3 】应 用微观随机网络模拟法研究了储层孔隙结构模型，并获得了毛细管压力曲线和微观孔隙 结构参数，同时运用渗流理论建立了微观随机网络模型。 1 2 3 沥青混合料空隙率影响因素的研究进展 目前，针对沥青混合料空隙率影响因素的研究，主要是通过改变混合料的级配来开 展研究。 李国强【3 0 】采用重正化群方法分析并确定了透水表面层所形成连通空隙的临界空隙 率为1 7 3 3 ；陈春【2 9 】通过对不同级配细粒式沥青混和料的研究表明，沥青混和料空隙 6 长安大学硕士学位论文 率的影响因素包括级配、沥青用量、拌和温度、集料密度测定方法和混和料最大理论密 度计算等因素，并对其间的异同及相互关系进行了探讨；刘树堂【2 5 】利用灰色关联分析原 理，分析了沥青混合料矿料级配对空隙率的影响，研究表明，在其它因素相同的情况下， 矿料级配曲线与理论最大密度线的相似性即关联度决定了空隙率的大小；而两者间距离 对空隙率的影响是通过曲线的相似性体现出来的，关联度越大，空隙率越小；李艳春【2 6 1 也采用灰关联分析法分析了矿料级配、沥青原材料的性质、沥青质量分数、毛体积密度、 吸水率等指标对沥青混合料空隙率的影响程度，并得出各相关因素对沥青混合料空隙率 影响程度的排序结果。鲁正兰【2 q 通过对几种级配的沥青混合料在不同击实温度下进行了 大量的马歇尔室内试验，研究表明，不同级配的沥青混合料的空隙率均受混和料的击实 温度( 成型温度) 的影响，当混和料的击实温度在碾压温度范围内波动时，混和料的空 隙率变化不变；马卫民【2 8 】通过s u p e r p a v e 沥青混和料级配进行了大量室内试验，分析了 集料级配对沥青混和料空隙率的影响，研究结果表明粗料区、中料区和细料区三方面的 含量对空隙率的影响以细料区最为明显；且矿粉对空隙率的影响十分明显。囊! i 1 2 4 空隙率对沥青混和料技术性能的影响研究进展 张登良【3 5 】研究了空隙率对沥青混合料技术性能的影响，主要有以下几个方面：抗弯 回弹模量、疲劳强度及水稳定性均随空隙率的增大而减小；透水系数与摩擦系数随空隙 率增大而增大；空隙率小于8 - - 1 0 时，随着空隙率的增大，低温蠕变速率有增大趁势； 车辙动稳定度与空隙率之问呈抛物线变化，即空隙率约在8 左右时，动稳定度出现峰 值。陈春【3 6 】通过对排水沥青混合料力学性能的试验研究，得到了排水沥青混合料的劈裂 和抗压设计参数，从混合料的力学性能方面分析和研究了多空隙排水路面使用寿命较低 的原因，对其的应用范围及如何延长其使用寿命提出了建议。林绣贤【3 7 】研究了沥青混凝 土路面的设计空隙率和矿料最小间隙率，并追溯来源和发展过程，明确设计空隙率应以 4 为准，矿料最小间隙率应是以设计空隙率为4 前提下的规定值，这样验收空隙率才 能以7 为准。吕伟副3 8 】研究了排水性沥青路面的空隙特性，研究表明，空隙率的大 小应根据铺筑排水性沥青路面的主要目的而决定，当以提高抗滑性能为主，空隙率可控 制在1 5 左右，而当以降低交通噪声为主，则孔隙率宜控制在2 0 左右。蒋俊【3 9 】根据不 同混合料类型、不同空隙率的车辙试件室内渗水试验结果进行了对比分析，结果表明， 渗水系数和空隙率有较好的相关关系；不同级配类型的沥青混合料，空隙的内部结构是 有差异的，即使空隙率的数值一样，其渗水系数也不一定相同；当空隙率大于一定数值 时( 6 7 ) ，渗水系数会急剧增大，而且大粒径沥青混合料随着空隙率的增大，其渗 7 第一章绪论 水系数增加的程度要大于细粒径；沥青混合料的最大粒径对沥青路面的渗水性能有着很 大的影响。关彦斌【4 0 】通过对不同最大粒径的透水性沥青混合料空隙率透水性试验结果的 分析计算，得到了其透水系数与各空隙率的相关关系。包秀宁【4 l 】设计了击实成型法和振 动成型法两种方案制备了空隙结构不同的混和料，并对两种不同空隙结构的混合料进行 了抗水损害对比分析，研究表明：振动成型混合料的空隙结构在抗水损害性能上要优于 击实成型混合料的空隙结构。李之达 4 2 】研究了沥青混凝土路面的水损害，通过对超孔 隙水压的分析和疲劳实验研究，探讨了空隙水对路面结构的破坏形式和疲劳寿命的影 响，超孔隙水压对沥青混凝土的影响试验和分析证实，超孔隙水压改变沥青混凝土的破 坏形式，在无水状态下疲劳破坏的形式为劈裂破坏，而在有水状态疲劳破坏的形式则主 要表现为剪切破坏；在有水状态的抗疲劳强度较无水状态的抗疲劳强度低；通过回归分 析，得到了沥青混凝土在有水状态和无水状态下的抗疲劳寿命估计方程。 此外，张鹏飞【4 3 】研究了多孔隙排水基层渗透系数，测试了试验路的透水性，提出使 用芯孔注水法测多孔隙排水基层渗透系数的方法。根据相同时间内经过基层排出水流量 应与水头下降的流量相等的理论计算了两种排水基层的渗透系数，并分析了排水基层孔 隙率与渗透系数的关系。谭忆秋【1 2 5 】研究了沥青混合料空隙率测定方法，研究表明，沥 青路面的空隙率与路面的使用性能直接相关，并研究了不同级配类型沥青混合料的空隙 率测定和计算方法，提出了测定空隙率的选用方法和原则。杨文锋】分析沥青混合料集 料的孔隙结构，研究了集料孔隙对沥青吸收和沥青混合料体积性能的影响。研究表明： 集料孔隙对沥青吸收的比例约为5 - - 1 0 ，由于沥青吸收使最大理论密度变异性较大， 空隙率差值超过l ，v m a 、v f a 等偏差也较为明显。王旭东【1 2 6 】研究了沥青混合料空隙 率试验中的有关问题，包括实测密度的测量、理论密度的计算以及空隙率计算等。 1 2 5 空隙在边缘学科中的研究进展 目前，对空隙的研究成果主要集中在其边缘学科。 在多孔介质材料孔隙研究方面，周宏伟与谢和平1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 1 对孔隙介质的空隙作了 大量的研究卫作，1 9 9 5 年根据孔隙介质的分形模型，并利用压汞技术测定了大理岩随应 力变化的微孔隙演化过程；1 9 9 7 年总结了描述孔隙介质孔隙空间分布的数学方法，这些 方法包括经典的统计学方法、拓扑学方法、分形几何方法、重正化群方法、谱密度分析 方法等，这些方法为研究孔隙介质宏观及微观物理力学性质、孔隙介质的渗流性质以及 孔隙介质中的热质传递等提供了十分有效的定量描述手段。2 0 0 0 年研究了孔隙介质渗透 率与孔隙空间分布的几何结构的关系，根据孔隙分布的网络模型，应用重正化群理论与 长安大学硕士学位论文 方法，提出了二维孔隙介质渗透率预估新方法。2 0 0 1 年通过细观渗流实验，研究了孔隙 介质细观结构对渗流边界形貌的影响，揭示了渗流边界形貌演化的扩散置限凝聚 ( d l a ) 效应。从理论上说明了达西定理描述的不可压缩流体渗流与l a p l a c e 分形的内 在联系，并建立了渗流边界的随机微分方程，揭示了渗流边界形貌的演化机理。 此外，江东运用分形理论与压汞试验研究了多孔介质孔隙结构特征；汤国华【4 7 1 利用图像处理软件与体视学原理，研究了多孔材料的孔隙结构。陈增涛【4 砩利用动态微孔 长大的c - h - j 细观模型，分析了孔隙材料的动态破碎的细观机理；利用g r a d y 的动态破 碎的能量描述，给出了破碎尺寸分布与材料孔隙度( 损伤度) 的定量关系。王学滨【4 9 ，5 0 】 研究了多孔介质岩土材料剪切带孔隙特征，利用梯度塑性理论，分析了剪切局部化引起 的剪切带内部孔隙度的不均匀性。刘建军【5 l 】研究了孔隙介质渗流宏微观研究之间的联 系，以及微观渗流研究的重要意义；通过综述国内外有关渗流微观结构模拟方面的研究 问题和当前主要研究方法，分析了各种微观物理模型及相应的各种数学模型的研究特点 和研究手段；比较孔隙结构研究的随机模拟方法和全局升尺度法的基础上，指出了两种 方法的优缺点，最后对孔隙介质微观渗流研究的发展趋势进行了展望。李留型5 2 】研究了 多孔介质微观孔隙结构分形特征，依据孔隙结构的球体模型和毛管束模型，推导出两种 模型的孔隙体积表达式和两种模型分形维数间的关系式。 。“ 在土壤孔隙研究方面，冯杰【5 3 5 4 】采用分形理论和c t 扫描技术研究土壤大孔隙结构。 通过对含有各种大孔隙的原状土柱和已知直径大孔隙的填充土柱进行c t 扫描实验，对 c t 图像进行处理，得到了各断面土壤大孔隙的分形维数和大孔隙数目、大小、形状和 连通性在土柱横断面和纵断面上的分布。李德成【5 5 】研究了土壤孔隙的三维结构，研究表 明，利用土壤切片的数字图像，以孔隙周长和面积为基础数据，定量评价了小尺度上的孔 隙变异度，并对孔隙复杂度进行研究；土壤孔隙在毫米尺度上也具有较高的变异度和复 杂度；粒径1 - - 一3 m m 和粒径小于2 c m 的重组土壤的孔隙在2 d 空问多呈现网络状，而原 状土壤的孔隙则多呈不规则的枝状或椭圆状；不同处理及不同土壤类型之间在孔隙周 长、孔隙度以及孔隙变异度和复杂度方面存在不同程度的差异。白晓红【5 6 】提出了一种对 土壤光学显微照片中孔隙分布的计算机图像分析方法。借助不同光波通过固体颗粒和孔 隙时的不同反应，应用计算机图像分析手段，在n o , o n 和s c h r o e d e r 理论的基础上，建 立了土体中孔隙分布分析的方法。刘伟【5 7 】研究了土壤大孔隙的定义、孔径划分类型及其 成因，认为土壤大孑l 隙