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排水沥青混合料细观结构及排水特性研究

肖鑫  
【摘要】:雨天路面的行车能力一直备受关注。传统的密级配沥青混凝土路面因为结构致密不易渗水,其主要通过路表径流的方式排走降水,导致行车时路表积水在路面与轮胎之间形成一层水膜,容易使车辆产生溅水、喷雾、夜间眩光甚至漂移、侧滑等现象,严重影响行车稳定性与安全性。排水性沥青路面被认为是解决此问题的有效措施。研究表明,排水沥青路面的排水特性通过渗透性表示,渗透性与集料级配、集料形状、试件厚度、压实方式、空隙率、空隙尺寸与数量、空隙形状以及水流路径等有关,沥青混合料设计中的较小改变都将引起渗透性发生巨大的变化。要保证排水沥青路面良好的排水功能,就得先准确地评价排水沥青路面的渗透性以及渗透性与沥青混合料组成之间的关系,掌握空隙尺寸、连通性与空间分布对水流特性的影响。但是目前对沥青混合料渗透性的研究主要集中在建立沥青混合料渗透性与空隙率之间的关系。实践证明,以此关系来预测沥青混合料的渗透性精确度是不够的。因此,开展排水沥青混合料空隙分布特征与渗透性之间的研究非常重要。 本文首先分析了排水沥青混合料的渗流基本理论,为进行渗流计算分析提供理论支撑;其次,进行排水沥青混合料的组成设计,提出最佳的嵌挤型集料骨架结构;同时利用X-ray CT与图像处理技术从细观角度深入而系统地分析排水沥青混合料的内部空隙特征,并利用数值模型进一步阐述空隙特征与渗透性之间的关系,研究水在沥青混合料结构内部的流通特征;最后利用计算结果分析不同降雨量下排水沥青路面的排水能力,提出控制地表径流目标空隙率的方法。本文进行的主要工作如下: 1、为能更好地协调排水沥青混合料的耐久性与排水性之间的矛盾,对现有的设计方法与级配进行改进与完善,把“粗骨料空隙填充法(CAVF)”设计方法引入到排水沥青混合料的组成设计当中,并利用此方法设计了三种不同空隙率的排水沥青混合料。 2、基于X-ray CT与图像处理技术提取排水沥青混合料中的空隙,分析空隙的空间分布特性,包括空隙率、连通空隙率、比表面积与弯曲度值,确定了排水沥青混合料纵横向的连通空隙路径,并计算出了该连通路径的弯曲度值与最小截面面积。 3、基于排水沥青混合料的空隙细观分布特征与混合料性能建立渗透分析方程,并利用此方程预测排水沥青混合料的渗透能力。 4、建立了排水沥青混合料的渗流数值模型,并采用有限体积法分析水在排水沥青混合料结构内部的流动特征,包括空隙结构中的压力分布、流速分布情况等。研究空隙直径大小、空隙弯曲程度与最小截面尺寸对水流特性的影响,并分析排水沥青混合料的各向异性渗透性能。 5、分析了排水沥青路面的产流机制与方式,在此基础上进行排水沥青路面渗流分析并研究了排水沥青路面的渗透计算模型,通过渗透计算模型计算特定降雨强度下排水沥青路面的渗透量。其次进行渗透计算模型的应用,计算排水沥青路面能应对的极限降雨强度,并根据广东省的降雨特征与路面参数,初步提出目标空隙率的确定方法。 6、通过查阅国内外文献、科技成果与工程实例,以及本文的研究成果提出了排水沥青面层结构设计与应用的几点建议。


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