1、第42卷第4期2023年4月Vol.42 No.4Apr.2023重庆交通大学学报(自然科学版)JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)DOI：10.3969/j.issn.1674-0696.2023.04.11粗集料分布形态对沥青混合料疲劳性能影响研究吴国雄2,姜勇1,张伟1,陈澈彳（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074；2.重庆建筑工程职业学院交通与市政工程系，重庆400072；3.中机中联工程有限公司市政五所，重庆400039）摘要:为分析粗集料的分布形态对沥青混合料疲劳性能的影响，选择粗集料棱角性和混
2、合料内部接触状态2个细观 特征作为粗集料分布形态参数，利用MATLAB等图像软件分析并提取粗集料在沥青混合料中的细观特征,同时生 成虚拟的二维沥青混合料试件。利用交互手段将虚拟试件导入离散元P FC2D软件，编辑设置相关细观参数和模拟 间接拉伸室内虚拟实验的代码，完成离散元模拟实验。结果表明:定义的棱角性参数在110 000-130 000之间时,存在一个抗疲劳破坏的强度峰值;在级配正常的接触对范围内，接触对数量与沥青混合料抗疲劳破坏性能呈现一定 的正相关关系。关 键 词:道路工程;沥青混合料;粗集料;分布形态参数;离散元;劈裂疲劳损伤中图分类号:U416.217 文献标志码:A 文章编号:1
3、674-0696（2023）04-080-07Influence of Coarse Aggregate Distribution Morphology on the Fatigue Performance of Asphalt MixturesWU Gu ox iong2,JIANG Yong1,ZHANG Wei1,CHEN Ha o3(1.Sc hool of Civil Engineer ing,Chongqing Jia o t ong Univer sit y,Chongqing 400074?China；2.Depa r t ment o Tr a nspor t a t ion
4、 a nd Mu nic ipa l Engineer ing,Chongqing Voc a t iona l Col l ege of Ar c hit ec t u r a l Engineer ing,Chongqing 400072,China;3.Mu nic ipa l Bu r ea u Five,China Ma c hiner y China Unit ed Engineer ing Co.,Lt d.,Chongqing 400039,China)Ab st r a c t：In or d er t o a na l y ze t he infl u enc e of t
5、 he d ist r ib u t ion mor phol ogy o c oa r se a ggr ega t es on t he fa t igu e per for ma nc e of a spha l t mix t u r es,t wo meso fea t u r es of c oa r se a ggr ega t e su c h a s a ngu l a r it y a nd int er na l c ont a c t st a t e of t he mix t u r e wer e sel ec t ed a s c oa r se a ggr e
6、ga t e d ist r ib u t ion mor phol ogic a l pa r a met er s.The ima ge soft wa r e su c h a s MATLAB wa s u sed t o a na l y ze a nd ex t r a c t t he mic r osc opic fea t u r es of c oa r se a ggr ega t es in a spha l t mix t u r es,a nd t he vir t u a l t wo-d imensiona l a spha l t mix t u r e sp
7、ec imens wer e a l so gener a t ed a t t he sa me t ime.Then,t he vir t u a l t est piec e wa s impor t ed int o t he d isc r et e el ement P FC2D soft wa r e b y int er a c t ive mea ns a nd t he c od es for set t ing r el eva nt mic r osc opic pa r a met er s a nd simu l a t ing ind ir ec t st r e
8、t c hing ind oor vir t u a l ex per iment s wer e ed it ed t o c ompl et e t he d isc r et e el ement simu l a t ion ex per iment The r esu l t s show t ha t：when t he d efined a ngu l a r it y pa r a met er is b et ween 110 000 a nd 130 000,t her e is a pea k st r engt h of fa t igu e fa il u r e r
9、 esist a nc e;wit hin t he r a nge of c ont a c t pa ir s wit h nor ma l gr a d ing,t her e is a c er t a in posit ive c or r el a t ion b et ween t he nu mb er of c ont a c t pa ir s a nd t he fa t igu e fa il u r e r esist a nc e o a spha l t mix t u r es.Key wor d s：highwa y engineer ing；a spha l
10、 t mix t u r e;c oa r se a ggr ega t e；d ist r ib u t ion mor phol ogic a l pa r a met er；d isc r et e el ement s;spl it fa t igu e d a ma ge0引言注的重要内容之一。张嬪娜等对于不同类型沥 青混合料进行了劈裂试验和蠕变试验，建立了一种沥青混合料疲劳损伤性能一宜是道路研究者关 基于累计流动能耗预测疲劳性能的方程方法;朱洪收稿日期：收稿日期：2020-12-24；修订日期：修订日期：2022-03-10第一作者:吴国雄（1966），男，湖北崇阳人，教授，博士，
11、主要从事道路工程方面的研究。E-ma il：wgx _ph.d 163.c om第4期吴国雄，等:粗集料分布形态对沥青混合料疲劳性能影响研究81洲等研究分析了饱和度、空隙率、胶粉比以及沥 青膜厚度对疲劳方程中特征参数的影响；杜群乐 等利用应力控制模式下疲劳试验对比分析旋转 压实与马歇尔击实制备试件方法下不同混合料的疲 劳性能，并研究了公称最大粒径对混合料疲劳性能 的影响。在对疲劳性能的研究分析中，国内外的大多数 学者都是从实验现象法的角度去寻找规律和探索原 理，这种方法虽然有其实用性,但在沥青混合料的内 部细观评价方面有较大限制,不能量化评价混合料 细观特征对混合料疲劳性能的影响。随着计算机技
12、 术的发展，众多学者利用计算机技术实现对沥青混 合料内部细观特征的识别量化或者通过软件重构模 拟来探索混合料性能与细观特征的关联。E.MASAD等运用数字图像处理技术并结合相关数 学方法及程序，定义了一些评价集料自身形态的指 标;J.K.ANOCHIN-BOATENG等通过3D激光扫 描系统(CSIR)扫描集料信息,并通过计算机模拟软 件重构了集料的三维虚拟模型；M.ZEGHAH等 利用离散元软件设计了虚拟三轴压缩试验，结果表 明试件的回弹模量与其侧向压力存在正向关系性；王荣等利用离散元软件进行了虚拟单轴静态蠕 变试验；E.MAHMOUD】8】等通过在离散元软件 P FC2D中设计完成模拟劈裂
13、实验，并将分析计算所 得的沥青混合料内部集料细观特性与实验结果对比 分析，实现了混合料内部转结构状态、集料细观特征 与宏观性能的相互关联。由上述可知，虽然集料细观特征参数相关研究 已有很多，但对沥青混合料疲劳损伤性能影响的研 究还比较少。利用数字图像处理技术和离散元软件 进行沥青混合料疲劳损伤模拟实验，揭示了粗集料 分布形态特征对沥青混合料疲劳性能的影响。1疲劳虚拟实验二维细观模型1.1粗集料分布形态参数选择棱角性参数是指沥青混合料中粗集料和细集料 颗粒表面的突出程度。美国公路战略研究(SHRP)计 划中,将棱角性认为是形状、棱角性和表面纹理3个 粗集料自身形态特征中最重要的一个参数。棱角性
14、是通过计算所有边界点的梯度向量角,并将其累计加 和而得到的，但由于笔者旨在研究二维平面的棱角性 参数，故将梯度向量变化转变为平面斜率向量变化,即可得到粗集料在二维平面的棱角性参数。对于整 个沥青混合料的粗集料棱角性参数，计算公式为：M=(Az x/.)/a.(1)i=i i=i式中:儿为单个粗集料的棱角性指标仏为集料的面 积指标;M为粗集料棱角性加权指标。对于沥青混合料中集料接触状态研究，魏鸿 等建立了表征集料接触特性的量化指标“接触 对”o在判定“接触对”时可假设集料颗粒均被沥青 胶浆膜覆盖,那么如果2个临近颗粒完全接触，根据 图像实际分辨率大小,其颗粒边缘应该相距不超过 一个像素。笔者选择
15、棱角性和接触对这2种细观特征作为 粗集料分布形态参数进行研究，并利用数字图像处 理技术对集料参数进行提取。1.2粗集料分布形态参数提取方法传统沥青混凝土实验中定义粗集料为最大公称 粒径2.36 mm以上的集料。针对本次实验研究集配 AC-13,对4.75、9.5、13.2 mm的粗集料进行了前期 图像处理，数据显示，将研究粒径定为9.5 mm及13.2 mm时，描述其特性差异更为明显，对比实验更 具可行性。对于棱角性参数,通过相机获取的图像中存在 阴影噪声及集料表面的灰质噪音，是无法直接用于 提取集料细观特征表征参数的，需要先采用 P hot oshop对原图像进行效果增强和去阴影处理，然 后
16、使用MATLAB对增强后图像进行二值化处理，如 图lo根据所得集料轮廓线，运用MATLAB对轮廓 上的像素点坐标进行排序，计算获得粗集料棱角性 参数和面积参数。(a)增强后图像(b)增强图像二值化(C)腐蚀与膨胀运算处理后(d)反转二值图集料轮廓线图1图像二值化处理Fig.1 Image binarization processing接触对表征集料接触特性的量化指标,利用数 字图像处理技术可得到混合料截面二值图，然后使 82重庆交通大学学报(自然科学版)第42卷用MATLAB软件内置的腐蚀和膨胀函数处理图像 中存在的黏连现象，进而判定集料接触的接触对。黏连现象处理前后二值图效果如图2。为了避免切 割试件时产生的不可逆损伤，根据段跃华等1研究 成果，将试件中部接触点个数相对于顶部和底部的 衰减系数定为0.7,这样切割时只用切割顶部和底 部，并提取出接触点个数乘以衰减系数。图2处理前后截面放大Fig.2 Enlarged cross-section before andafter processing1.3二维数字试件生成数值模型的建立与常规方法有所不同,选择将 所采集的粗集料图像随机填充
