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原文传递基于堆积理论的矿质混合料组成结构特性研究

论文题名：	基于堆积理论的矿质混合料组成结构特性研究
关键词：	堆积理论;矿质混合料;组成结构;离散单元法;图像处理技术;路用沥青
摘要：	在沥青混合料中，约占总体积90%的矿质混合料对沥青混合料的工程特性起到极其重要的作用。但是，在当前的沥青混合料材料设计中，多采用唯象手段进行材料宏观性能研究，忽略了矿质混合料组成结构的非均值性和复杂性，导致无法使沥青混合料的宏观性能与其组成结构良好的对应起来的。针对这一问题，本文基于堆积理论，采用试验与离散单元法模拟相结合的形式，结合X-ray CT断层扫描、图像处理、PFC离散单元法模拟等技术，对由典型散体集料颗粒构成的矿质混合料组成结构特性进行了分析与研究。　　首先，选定离散单元法模拟作为本文主要研究手段，编写了用于提取结构参数的Matlab-PFC交互程序。结合X-ray CT断层扫描和图像处理技术，对在离散元颗粒流计算软件 PFC中实现的虚拟堆积模型与真实堆积模型组成结构进行了对比，并对模拟过程的堆积方法进行了优化，对虚拟堆积结构与真实堆积结构的一致性进行了检验。证明了在 PFC中采用分层装填并施加水平正弦振动的形式，获得虚拟堆积模型与真实堆积模型组成结构具有良好的一致性，采用离散单元法理论进行矿质混合料组成结构的研究具有可行性。　　然后，从球形粒料的几何特性入手，针对用于表征粒料形态特征和形貌特征的长径比和粒料表面摩擦系数，分析了球形粒料几何特性对堆积体系组成结构的影响，进行了粒料几何特征对粒料组成结构特性影响的研究。结果发现，当颗粒摩擦系数在0.5以下时，颗粒摩擦系数的增大会显著了堆积体系的松散程度的增加和颗粒间嵌挤能力的增强。当颗粒长径比在1.5-2.5区间内，颗粒长径比的增大会导致堆积体系的松散和颗粒间嵌挤能力的增强。　　其次，根据力链网络理论和填充理论，选取三种典型的矿质混合料（AC16、OGFC16、SMA16），改变级配粗、细集料的比例，进行了粗集料骨架特性和细集料填充作用的研究。分析了参与矿料骨架结构形成的各档集料比例与各档集料对骨架受力的分担情况。以粗集料周围的细颗粒个数为指标，分析了细集料对级配体系的填充作用。采用傅里叶级数近似法（Fourier series approximation， FSA）对级配粒料堆积体进行组构分析，分析了受力级配粒料的法向接触力与法向接触的主应力方向和各向异性分布，对矿质混合料组成结构的各向异性进行了对比。结果发现，当级配颗粒堆积体受力时，9.5mm粒径以上颗粒是受力的主要单元。构成三种矿质混合料骨架的颗粒以2.36mm-9.5mm粒径的颗粒居多。细粒径颗粒在骨架颗粒数量中所占比例很大，但对骨架结构受力发挥作用微弱。三种类型的矿质混合料接触各向异性从大到小依次为：SMA16＞AC16＞OGFC16。　　再次，将级配颗粒堆积体视为系统，采用偏最小二乘法（PLS）多元线性回归的方法，对系统内部粗集料承担骨架力和参与骨架颗粒组成的相关性和粗集料骨架特性和细集料填充作用的相关性进行了研究，分析了矿质混合料骨架结构的形成产生显著影响的关键类型颗粒。结果发现对于 AC16型矿质混合料，9.5-13.2mm粒径颗粒是影响骨架构成的关键颗粒；对于 OGFC16型矿质混合料，13.2-16mm粒径颗粒是骨架构成的关键颗粒；对于 SAMA16型矿质混合料，9.5-13.2mm粒径颗粒是骨架构成的关键颗粒。　　最后，同时考虑粒料几何特性和级配组成，基于Matlab—PFC2D交互程序，实现了某一特定级配下的随机级配骨料的生成与堆积，对同时考虑不规则形状颗粒构型和级配下的 AC16型矿质混合料堆积体的组成结构特性进行了研究。分析形态特征和形貌特征对矿质混合料致密程度和骨架结构的影响，采用双因素方差分析进行了显著性检验。结果发现，级配颗粒的长径比越小，形貌粗糙程度越低，堆积体系致密程度的增大。级配颗粒的长径比对堆积体系骨架结构形成有显著的影响，长径比越大，粗集料的骨架作用越弱。级配颗粒的形貌的粗糙程度对堆积体系中粗集料的骨架作用没有显著影响。　　本文基于堆积理论，通过X-ray CT扫描、PFC离散单元法模拟和依据算法进行编程计算的形式，对矿质混合料的组成结构的评价方法和影响因素进行了研究与分析，为后续沥青混合料的材料设计与性能检测提供了良好的借鉴意义。
作者：	李添帅
专业：	交通运输工程
导师：	谭忆秋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文