随着我国交通基础设施建设的不断发展,高速公路里程逐年增加,沥青路面以其优良的行车舒适性与施工便捷性而广泛应用于道路建设中。矿料作为沥青混合料的主要组成部分,自身性质的优劣直接影响到沥青混合料路用性能的好坏。为了分析矿料自身性质与沥青混合料性能之间的关系,国内外研究人员开展了大量工作,但是由于集料自身几何形状的不规则性及其在混合料内部分布的随机性,使得二者关系仍未明确。另外,目前针对矿料的性质多采用间接的方法进行测试,无法直观反映其真实特征。因此,为了准确分析矿料自身性质对沥青混合料性能的影响规律,需要借助新的测试技术和分析方法进行系统的研究。本文结合国家自然科学基金项目“基于数字图像处理技术的沥青混合料各向异性特性研究”和博士点基金项目“基于数字图像处理技术的沥青混合料蠕变损伤机理研究”,首先从矿料性质特征参数的分析入手,对填料的物理化学性质和粗细集料的形态特征给出评价;然后,依据胶浆理论,分别从沥青胶浆、沥青砂浆与沥青混合料三个层次上分析矿料性质对沥青混合料高温和低温粘弹性能的影响规律;最后,借助单纯形格子设计方法给出均衡考虑混合料高温和低温粘弹性能的集料形态特征参数优化值。本文开展的具体研究工作如下:1、考虑沥青混合料中填料、细集料及粗集料对其性能影响机理的不同,分别对填料的物理化学性质与粗细集料的形态特征进行了测试与分析。首先,采用扫描电镜、比表面积分析仪、X射线衍射仪和激光粒度分析仪对不同填料的微观形貌、比表面积、矿物结晶和粒度分布进行测试,分析了填料自身物理化学性质及微观形貌上的差异。之后,采用扫描仪和体视学显微镜分别采集了粗集料和细集料的二维数字图像,借助数字图像处理技术获取了粗细集料的长短轴比、圆度、棱角性、腐蚀膨胀面积比和分形维数,利用数据统计分析方法明确了集料形态特征指标的分布规律。2、考虑到填料性质与沥青胶浆性能之间关系仍不明确,系统分析了填料掺量与物理化学性质对沥青胶浆性能的影响规律。首先,通过针入度、软化点、粘度、测力延度、动态剪切流变和弯曲梁流变试验评价了掺入不同掺量矿粉和硅藻土的沥青胶浆的基本性能和粘弹性能,得到了填料掺量对沥青胶浆性能的影响规律;然后,通过粘度、软化点、测力延度以及常温动态剪切流变试验评价了掺入相同掺量矿粉、熟石灰、粉煤灰和硅藻土的沥青胶浆的性能,分析填料物理化学性质对沥青胶浆高温与常温性能的影响;最后,采用灰色关联分析方法对填料的物理化学性质与沥青胶浆性能之间关联程度进行计算,得到填料各性质对沥青胶浆性能的影响程度排序。3、基于Burgers粘弹性模型分析了集料形态特征对沥青砂浆与沥青混合料高温粘弹性能的影响规律。首先,利用单纯形格子设计方法对不同集料的掺配比例进行设计,得到具有不同形态特征的集料组分;其次,考虑到不同粒径集料形态特征的变异性,提出采用集料综合圆度、综合棱角性与综合腐蚀膨胀面积比对混合后集料形态特征进行表征;再次,采用估算法确定沥青砂浆和沥青混合料的油石比,剔除集料之外的因素对沥青砂浆与沥青混合料高温粘弹性能的影响;最后,采用Burgers模型识别得到沥青砂浆和混合料的粘弹性参数,对粗细集料的综合圆度、综合棱角性和综合腐蚀膨胀面积比与Burgers模型参数之间关系进行回归分析,明确集料形态特征对沥青混合料高温粘弹性能的影响规律。4、利用Prony级数与Laplace变换方法实现了蠕变柔量与松弛模量之间的转化,进而分析了集料形态特征对沥青砂浆与沥青混合料低温松弛特性的影响规律。首先通过低温小梁弯曲蠕变试验得到沥青砂浆与沥青混合料的蠕变柔量随时间变化关系,利用Prony级数与Laplace变换方法将蠕变柔量转化为松弛模量;然后将松弛模量随时间变化曲线进行对数变换,对变换后数据进行回归分析并提出采用回归直线斜率作为评价松弛模量变化率的指标,进一步分析集料形态特征指标与松弛模量变化率之间关系。另外,考虑到集料形态特征对沥青混合料高温蠕变特性和低温松弛特性的影响具有相反的规律,运用单纯形格子设计方法,以蠕变模型参数和松弛模量参数为响应,优化得到兼顾沥青混合料高温和低温粘弹性能的各组集料掺配比例,进一步计算得到优化后形态特征指标。