【摘要】：開裂一直被公認(rèn)是半剛性基層材料的典型破壞形式,荷載是其結(jié)構(gòu)損傷的最直接原因,水泥穩(wěn)定碎石作為典型的半剛性基層材料之一,其在荷載作用下的破壞是材料內(nèi)部微缺陷裂紋萌生、擴(kuò)展、匯合貫通逐步損傷的結(jié)果。路面基層處于瀝青面層之下,屬于隱蔽性結(jié)構(gòu)層,結(jié)構(gòu)損傷過程觀測相對困難,因此,長期以來一直存在材料和結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)及其參數(shù)與實(shí)際宏觀表達(dá)指標(biāo)偏差較大的問題,有必要完善試驗(yàn)支撐下的材料損傷認(rèn)識(shí)。本文在總結(jié)國內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上,針對半剛性基層材料損傷是一個(gè)小尺度、復(fù)雜的、過程化的變量的問題,從細(xì)觀分析角度入手,以圖像技術(shù)為手段,對水泥穩(wěn)定碎石在荷載作用下的損傷演化過程進(jìn)行分析。通過將圖像處理技術(shù)和力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的方法,建立水泥穩(wěn)定碎石混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系,以混合料試件芯樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)為研究對象,對混合料內(nèi)部集料及孔洞分布進(jìn)行分析,探討細(xì)觀結(jié)構(gòu)對損傷的影響,具體為:首先,建立水泥穩(wěn)定碎石混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系。根據(jù)細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析的需要,采用自行編制的圖像處理程序,對水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行圖像分析,提取混合料中集料形態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)指標(biāo)以及孔洞分布在內(nèi)的圖像細(xì)觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系,并驗(yàn)證指標(biāo)的靈敏性和有效性。其次,水泥穩(wěn)定碎石材料CT掃描及加載試驗(yàn)設(shè)計(jì)。分析CT構(gòu)成及成像原理,從工業(yè)CT射線能量,密度分辨率,探測器接收方式,圖像重建算法四個(gè)方面對所用設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定,客觀評價(jià)所用CT設(shè)備性能及對水泥穩(wěn)定碎石材料的掃描圖像精度,明確水泥穩(wěn)定碎石材料的圖像符合問題分析要求。以4.75mm通過率為標(biāo)準(zhǔn),篩選通過率分別為30%,35%,40%,45%和50%的五種級配,設(shè)計(jì)加載方案、荷載級位及采樣位置,選定兩種具有典型差異級配(4.75mm通過率為30%和45%)的水穩(wěn)碎石混合料B1-N2、B2-N9進(jìn)行加載-掃描試驗(yàn),獲得斷層掃描圖像,對現(xiàn)有圖像閾值分割方法進(jìn)行適用性分析,并采用環(huán)形改進(jìn)大津法提升斷層圖像識(shí)別和分割的質(zhì)量。然后,基于CT圖像的水泥穩(wěn)定碎石材料細(xì)觀損傷演化分析。針對水泥穩(wěn)定碎石混合料的二維CT斷層圖像,統(tǒng)計(jì)分析圖像的孔隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)分布特征,并結(jié)合分形理論,以差分盒維數(shù)方法為手段計(jì)算不同加載掃描階段水泥穩(wěn)定碎石CT掃描斷層圖像的分維數(shù),分析圖像損傷分維數(shù)與荷載的相關(guān)性,揭示材料損傷的細(xì)觀演化過程。分析混合料骨架結(jié)構(gòu)對材料性能的影響,分析圖像尺度下粗集料的組成比例、集料間距、集料接觸面積等體素?cái)?shù)量與宏觀力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性。初步驗(yàn)證,在無側(cè)限的抗壓強(qiáng)度下,顆粒數(shù)量與抗壓強(qiáng)度之間存在一定負(fù)相關(guān)性;顆粒接觸單元數(shù)與抗壓強(qiáng)度同樣成弱線形相關(guān)性。最后,準(zhǔn)脆性材料的損傷破壞分析,提出準(zhǔn)脆性材料損傷的增量遞歸指數(shù)模型,并以逐級荷載作用下B1-N2、B2-N9級配材料對模型進(jìn)行驗(yàn)證,得出骨架-密實(shí)型的B2-N9試件破壞符合準(zhǔn)脆性材料的損傷特征,即損傷存在門檻值,在門檻值之前,材料損傷并不明顯,超過損傷門檻值后,材料存在加速損傷過程,符合脆性巖土類脆性損傷特點(diǎn)。但骨架型B1-N2混合料由于內(nèi)部細(xì)觀夾雜等原因,損傷模型不具備上述B2-N9模型描述特征。本文研究成果有助于深入了解半剛性基層的細(xì)觀損傷性能,同時(shí)也是對半剛性基層材料現(xiàn)行設(shè)計(jì)指標(biāo)的完善,具有重要的理論意義。
【學(xué)位授予單位】：武漢科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U414
【圖文】：

圖 1.1 基層破壞實(shí)例者 H.E.Brooke-Bradley 對水泥穩(wěn)定土路用基層材料進(jìn)南卡羅萊納州進(jìn)行了試驗(yàn)路應(yīng)用，此后，研究人員為主要從宏觀角度研究水泥穩(wěn)定半剛性基層材料在不同化規(guī)律，但對于引起材料性能劣化的裂紋損傷演化過

圖 1.2 南非路面設(shè)計(jì)法中半剛性材料的模量參數(shù)[28]認(rèn)是半剛性基層材料的典型破壞形式。國外從上試驗(yàn)對水泥處治基層研究認(rèn)為，隨著基層材料裂基層的模量將存在三個(gè)衰減階段，定性的指出水發(fā)展直接相關(guān)[15]-[16]。國內(nèi)學(xué)者從材料疲勞試驗(yàn)的

近年來我國基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的資助項(xiàng)目國家自然基金，在這一研究領(lǐng)域和方向上的投入和支持力度也逐年增加，自 2011 至 2016 年，該領(lǐng)域研究項(xiàng)目數(shù)已經(jīng)占所有公路工程領(lǐng)域研究課題的近20%，十余年來的資助情況如圖1.4所示。圖 1.4 國家自然基金在該領(lǐng)域資助統(tǒng)計(jì)情況1.2.1 圖像技術(shù)在路面材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用（1）路面材料細(xì)觀組成結(jié)構(gòu)的研究借助二維圖像技術(shù)分析路面材料的組成結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為國內(nèi)外道路領(lǐng)域近幾年研究重點(diǎn)之一，分析路用混合料的細(xì)觀組成結(jié)構(gòu)、壓實(shí)性能、均勻性，或者以路用混合料微觀組成特征參數(shù)作為有限元分析的基礎(chǔ)。在路面材料細(xì)觀組成結(jié)構(gòu)研究中，較為常見的觀測手段是 CCD 觀測模式，即采用 CCD 技術(shù)獲取路面材料細(xì)觀組成結(jié)構(gòu)，通常是一種材料有損的圖像獲取方式。國外學(xué)者 Eyad Masad(1999)、Kasthurirangan Gopalakrishnan 等(2005)分別在表征集料顆粒趨向性分布、評價(jià)顆粒距離、分布以及膠漿面積指標(biāo)等方面做出了貢獻(xiàn)[34]-[35]；Hu, R.L., Yue, Z.Q. (2005)等在有限元分析中定義了集料顆粒和膠漿的材料參數(shù)，修正了一直以來有限元中的理想化定義[36]。汪海年、徐科、張婧娜、李智、彭勇、吳文亮、張蕾、呂悅晶、陳佩林等國內(nèi)學(xué)者在二維數(shù)字圖像級配與三維機(jī)械篩分級配的修正方法、圖像的分割效率、瀝青混合料骨架嵌擠特征、不同成型方法對試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響、集料顆粒的主軸角度與壓實(shí)方法關(guān)系、混合料顆粒分布均勻性、細(xì)觀損傷裂紋分析以及有限元仿真等方面均產(chǎn)生了大量研究成果[37]-[48]。相對于 CCD 相機(jī)獲取路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像信息，計(jì)算機(jī)斷層掃描 CT 技術(shù)可無損獲得試件內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)特征。由于石料、膠漿以及空隙三者之間存在明顯的密度差異

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2805817