基于粗集料细观形态定量表征与协同优化的沥青混合料骨架接触特性及变异行为研究

The mesoscopic morphology characteristics of coarse aggregate, including shape, angularity, texture, have a significant influence on the road performance of asphalt mixture. In this project, multi-dimensional characterization and evaluation of the macro-aggregate morphology will be carried out by X-ray CT, AIMS, high-precision 3D scanner and so on. By means of X-ray diffractometer and XPS, DSR pulling and twisting device based on real aggregate interface, the characteristics of meso-structure interface of coarse aggregate will be characterized and the mechanism of its interaction with asphalt will be analyzed. The coarse aggregate produced by different processing parameters and crushing process will be tested and compared, and the optimization scheme of mesoscopic morphology will be recommended. Based on energy theory and the self-designed method of tracking the coarse aggregate by identification, the influence of the mesoscopic morphology of the coarse aggregate on the compaction characteristics of the asphalt mixture and its evolution mechanism will be analyzed. The characterization method of the skeleton contact characteristics of the coarse aggregate, the variation behavior and the influencing factors will be investigated. The online shared database, including lithology and mesoscopic morphology of coarse aggregate, asphalt mixture skeleton characteristics, and performance characteristics, will be established, then, by means of big data analysis methods, the acquisition of mesoscopic morphology data, quantitative characterization and collaborative optimization of pavement performances will be achieved, and it will be opened and shared to researchers and industry users. The project is of great significance and application prospects for improving the testing methods of coarse aggregate, achieving the efficient utilization of aggregate resources and improving the performance of asphalt mixture.

粗集料形状、棱角、纹理等细观形态特征对沥青混合料的路用性能有着显著影响。本项目采用X-ray CT、AIMS、高精度3D扫描仪等设备，对粗集料细观形态进行多维表征与评价；利用X衍射仪和XPS，测试粗集料细观纹理特性，基于真实集料界面的DSR拉拔扭转装置，分析其与沥青界面的作用机理；测试对比不同加工参数与破碎工艺的粗集料，推荐其细观形态特征优化方案；基于能量理论与自行设计的粗集料标识追踪方法，解析粗集料细观形态对沥青混合料压实特性的影响及其演化机理，研究粗集料骨架接触特性的表征方法、变异行为与影响因素；建立在线共享的粗集料岩性、细观形态、混合料骨架特征与性能特征的数据库，利用大数据分析方法，实现粗集料细观形态的数据采集、定量表征与路用性能的协同优化，并向研究者与行业用户开放与共享。本项目对于完善粗集料测试方法、实现集料资源高效利用、提升沥青混合料性能具有重要意义与应用前景。

粗集料的形态特征对沥青混合料的性能具有重要的影响。目前对于粗集料的加工及检测相对而言较为粗犷，对骨料的形态对沥青混合料性能的认识相对不足，这就导致在集料的加工、检测及评价的重视程度较低，而集料又是沥青混合料的主体，由此导致沥青混合料的性能离散性较大，若能明确集料的形态对混合料的性能影响，从集料-沥青的界面及集料与集料之间的接触入手，对集料形态进行多角度评价并与路用性能相关联。从理论到实践；在明确其形态对性能的影响下，对加工特性进行研究，得到想要的形态特征范围，从而预估并控制沥青混合料的性能，于此同时，开发设备进行智能化检测，提升工作的效率，本项目具有积极的意义及应用前景。.通过不同的破碎方式和破碎设备加工得到不同纹理的原材料，使用X衍射仪分析集料的矿物成分，用AIMS获取粗集料的形态特征信息，基于集料的表面纹理特征和矿物特性，通过浸水法实验和拉拔试验，从细微观角度和宏观力学角度分析对油石界面作用，提出定量评价不同矿物成分组成的集料粘附性能的表征参数，分析界面性能与宏观路用性能之间的联系。沥青与粗集料的界面拉拔强度均随粗集料表面纹理值的增大而增大，粗集料表面纹理的推荐加工范围为550-650的小波变换纹理值。粗集料形态主要影响沥青混合料在低温低频荷载或高温高频荷载条件下的动态模量，对混合料弯曲、抗裂等性能也有提升效果；纹理与混合料抗水损害性能的关系与集料-沥青粘附性受集料纹理影响的关系具有较好的一致性。粗集料表面纹理提升对OGFC级配的动态模量、和弯曲蠕变速率的提升均略高于SMA级配。采用不同的破碎工艺和设备研究，揭示集料细观特征对混合料性能变异行为，结果表明：4.75mm和9.5mm粗集料的棱角、纹理特征对于沥青混合料压实成型的骨架特征以及力学性能有很大贡献，基于双目立体视觉的粗集料形态检测系统可以很精准的评价粗集料的形态特征，针片状颗粒精确性评价，系统测试和人工测试两种测试真实误差在1.5％-2％。