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原文传递透水沥青混合料三维空隙形态及堵塞机理研究

论文题名：	透水沥青混合料三维空隙形态及堵塞机理研究
关键词：	透水沥青混合料;三维空隙形态;堵塞机理;颗粒分布特性
摘要：	透水沥青路面可快速消除道路表面积水，但其服役过程中，透水能力易受到堵塞作用的影响。因此，为了全面掌握透水沥青路面运营过程渗透能力的演化规律，需明确透水沥青混合料的堵塞机理。空隙结构作为流体携污染物流动的载体，其复杂的形态必然导致堵塞行为的复杂性。而沉积颗粒的分布形式影响流体流动的空隙空间结构，是透水路面堵塞的根本原因。然而，受到测试方法和图像处理技术的限制，已有研究尚未明确沉积颗粒的堵塞机理及被堵空隙的结构特性，未能阐明堵塞作用对透水沥青混合料渗透特性的影响机理，难以为透水沥青混合料的设计提供合理的指导和建议。　　针对上述问题，本文基于计算机断层扫描技术，构建了透水沥青混合料的三维空隙结构，开展了三维空隙形态特性研究；通过分析流出颗粒和沉积颗粒的形状特性和空间分布特性，探究了堵塞颗粒对空隙的堵塞机理；分析了被堵空隙的结构特性，明确了被堵空隙的形态和分布特性；分析了沉积颗粒分布和被堵空隙的结构特性对抗堵塞能力的影响，在此基础上，开展了透水沥青混合料的设计方法优化研究。主要研究内容及成果如下：　　基于计算机断层扫描技术获取沥青混合料的二维断层图像，采用小波变换降噪、形态学处理方法和最大类间方差法，实现了图像的降噪、修复和空隙的提取。基于投影重构理论和图像处理技术，考虑流体流动的出入口条件，开发了连通空隙的识别算法；采用拓扑细化法，实现了三维空隙的骨架结构提取；在此基础上，开发了三维空隙形态参数的计算方法。基于颗粒堆积理论，获取了透水沥青混合料的填充系数，并采用填充系数表征了结构的级配特性，建立了三维空隙形态特性与级配特性的关系。　　采用数码显微镜和图像处理技术，开展了流出颗粒和沉积颗粒的形状特性研究；基于图像配准技术和数字图像处理技术，开发了沉积颗粒识别算法；基于多重分形理论，开展了沉积颗粒的分布特性研究。分析了级配类型对颗粒分布的影响，分析表明，透水沥青混合料的填充系数越小，沉积颗粒的分布范围越广。探究了透水沥青混合料的空隙形态对沉积颗粒分布特性的影响，以及空隙形态对流出颗粒形状特性的影响。结果表明，空隙形态参数中，空隙直径对沉积颗粒的分布和流出颗粒的形态影响最大。　　开发了被堵空隙识别算法，实现了被堵空隙的识别；采用图像处理技术，分析了被堵空隙的尺寸分布和形状特性；基于多重分形理论，分析了被堵空隙的空间分布特性。在此基础上，探究堵塞颗粒形态、级配类型和空隙形态特性对被堵空隙形态和分布特性的影响规律。结果表明，细集料的填充作用影响空隙结构的形态特性和分布特性；空隙迂曲度对被堵空隙形态和分布特性的影响最大。　　考虑渗透的各向异性，探究了堵塞行为对透水沥青混合料渗透特性的影响；分别考虑颗粒的整体和局部分布特性，分析了沉积颗粒的分布特性对结构渗透能力的影响；探究了空隙形态特性对结构残余渗透能力的影响，明确了空隙形态与透水沥青混合料抗堵塞能力的关系；综合考虑渗透能力和抗堵塞能力，确定了透水沥青混合料的最佳填充系数；基于最大密度理论，确定了透水沥青混合料的最佳级配范围，并对最佳级配对应的透水沥青混合料的路用性能、三维空隙形态、渗透能力和抗堵塞能力进行了验证。
作者：	孟安鑫
专业：	道路与铁道工程
导师：	谭忆秋
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021