沥青混合料是十分复杂的非均质复合材料。长期以来,沥青混合料传统设计体系对其宏观性能的研究主要依赖于现象经验法,但是其在研究过程中需要大量耗时、耗资的室内试验,而且得出的结果差异性大,再现性差,已无法满足现代工程建设中高质量的要求。沥青混合料的宏观性能与组分相材料性能和内部结构特征等密不可分,因此基于数字图像处理技术,从细观角度研究沥青混合料宏观性能是十分必要的。首先,本文明确了沥青混合料CT图像的处理过程,提出了确定数字图像中粗集料和空隙的阂值的同心9环状分区方法。结表表明,采用同心9环状分区方法提高了数字图像中的粗集料和空隙的识别精度,特别是消除了图像边缘处粗集料的区域缺失,同时减少了粗集料内部的“麻孔”现象。再则,本文针对两种成型方法、多种压实功和三种级配类型的沥青混合料试件,基于CT技术,采用沿着试件高度方向三段式(顶段、中部和底端)的分区方法对沥青混合料内部结构的计算空隙率及其影响因素进行了分析。以中部空隙率的三个特征指标建立了混合料试件整体计算空隙率的“预测模型”,并检验了“预测模型”的计算精度。根据“预测模型”和三维重构模型分别计算得到的空隙率,分析了其与实测空隙率之间的差异。结果表明,级配类型对整体计算空隙率的有效性影响较大,成型方法和压实功对整体计算空隙率的有效性影响较小；“预测模型”计算的结果精度较高,达到了整体计算空隙率的98.98%；与混合料实测空隙率相比,应用“预测模型”计算AC和SMA混合料的空隙率精度较OGFC混合料的高；应用“预测模型”计算得到的空隙率与根据三维重构模型计算得到的差异较小。其次,为了有效的测试和评价沥青混合料内部结构均匀性,考虑粗集料、沥青砂浆和空隙各组分的作用,提出了一种以各组分密度为特征值的沥青混合料内部结构均匀性识别方法(HIMDI),采用不同沥青用量条件下三种不同级配类型的沥青混合料试件,对其内部结构均匀性进行了定量检验。同时,研究了沥青用量、压实功、级配类型对混合料试件内部结构均匀性的影响,以及讨论了HIMDI的实际应用。结果表明,基于本方法提出的均匀性评价参数可以识别单一或一组沥青混合料试件的内部结构均匀性,并且通过分析计算得到三种不同级配类型沥青混合料的最佳沥青用量与室内试验获得的相差分别为0.07%、0.1%和0.55%；沥青用量和级配类型对沥青混合料内部结构均匀性具有显著影响,而压实功对沥青混合料内部结构均匀性影响规律不同；采用均匀性评价参数识别了沥青混合料试件的沥青用量、均匀性的相对薄弱位置以及相同成型因素条件下试件制作的平行性。此外,基于本文提出的沥青混合料空隙率预测模型以及均匀性评价方法,根据沥青混合料马歇尔设计方法中体积参数与内部结构组分特征值的关系,并考虑沥青混合料内部结构均匀性,建立了AC和SMA混合料的最佳沥青用量确定方法。结果表明,利用CT技术确定的混合料内部结构组分特征参数可以准确的表征AC和SMA混合料的马歇尔体积设计方法中的空隙率、间隙率和饱和度等体积参数；对于AC和SMA混合料,采用本文给出的沥青混合料设计方法与根据现行马歇尔设计方法分析得到的沥青混合料最佳沥青用量相差分别为0.01%和0.179%。