本文依托《吉草高速公路沥青路面配合比优化及施工控制研究》、《基于云平台的沥青混合料路用性能数据模型研究》课题和吉草高速公路工程项目展开相关研究。从吉草高速公路沿线地质环境出发,以吉草高速公路沿线的主要筑路材料:玄武岩、安山岩和石灰岩碎石集料为主要研究对象,对碎石集料的岩性、表面特性、沥青粘附性和由此碎石集料组成的沥青混合料性能进行研究。本着就地取材、物尽其用的理念展开相关研究工作。1.对项目沿线地质构造特征、地理位置、地形、地貌和地质条件进行调研和勘察。项目沿线采石场共19个,主要筑路材料为玄武岩、安山岩和石灰岩碎石。碎石集料的物理化学性能与成分组成密切相关,在地理位置分布上有一定规律和区域性。基于集料物理化学性质,对集料和级配的适用性展开研究,玄武岩集料更适用于间断级配混合料,安山岩和石灰岩集料更适用于连续级配混合料。2.集料表面纹理和孔隙特征是影响混合料路用性能的关键因素。基于微观数字图像,观测集料表面的纹理常规几何参数和分形计盒维数。借鉴医学和图像分析领域中树突状细胞的概念,引入树突状纹理特征。从纹理的连续性和突变性角度对集料表面纹理特征进行分析。结果表明,树突状纹理数量可以用于评价集料表面纹理特征。玄武岩树突状纹理数量明显较低,仅达到石灰岩平均水平的40%左右,安山岩树突状纹理数量略低于石灰岩,平均达到石灰岩水平的85%。石灰岩集料表面最粗糙,纹理丰富,相应的面积、周长和分布密度数值较大。玄武岩与安山岩表面纹理特征近似,安山岩各项指标略高于玄武岩。基于集料表面纹理分布密度、计盒维数和树突状纹理数量三个参数,可以表征玄武岩、安山岩和石灰岩的纹理特征。3.通过氮气吸脱附试验,测定集料表面的比表面积和平均孔径,结合纹理特征数据,评价集料表面粗糙度和复杂度。石灰岩属沉积岩,表面相对玄武岩和安山岩更为粗糙,不同采石场出产的集料纹理差异较大。玄武岩与安山岩平均孔径水平相近,不同采石场出产的集料表面纹理特征水平接近。4.基于水浸试验和重量法,测定沥青和沥青胶浆在集料表面的剥落率。沥青胶浆在玄武岩和安山岩集料表面裹覆效果优于单纯沥青,剥落率低、粘附性强。通过对沥青胶浆在集料表面粘附的微观图像观测可见,粘附在集料表面的矿粉颗粒间接提高了集料表面的粗糙度,增加了沥青在集料表面的粘附厚度,明显提高沥青在集料表面的粘附效果。石灰岩集料对沥青粘附性较好,表面的沥青剥落率和沥青胶浆剥落率水平接近。5.基于表面能理论,分析沥青在集料表面的铺展情况。提出通过测定铺展半径的方法,对沥青在集料表面的铺展水平进行评价。在150℃拌合温度下,沥青在集料表面可以自由铺展。沥青液滴滴落在集料表面后继续加热3分钟后,铺展完成,达到固、液、气表面自由能平衡。此时,可以测定沥青在集料表面的铺展半径。基于表面能理论和能量守恒理论分析发现,铺展半径可以用于评价沥青在集料表面的铺展程度。集料表面越光滑,铺展半径越大,表面越粗糙,铺展半径越小。石灰岩集料表面最粗糙,表面孔隙特征最复杂,铺展半径最小。玄武岩集料表面粗糙度与安山岩水平相当,铺展半径水平接近。6.基于正交试验法,以集料、级配和油石比作为三个控制因素,对来自9个采石场的三种类型的集料,设计27组沥青混合料试件样本方案。测定沥青混合料试件的各项物理和路用性能指标参数。基于因子分析方法,将沥青混合料路面使用性能的17个指标变量简化为三个主要性能特征:粘附性、稳定性和耐久性,并以此为x轴y轴和z轴,建立三维坐标空间。将27组混合料的路用性能因子得分作为坐标,绘制27组沥青混合料在该三维坐标空间中的散点分布图。27个散点在三维空间中呈现明显的区域分布特征。SMA和ATB沥青混合料的散点分布区域相对集中,路用性能较稳定。7.通过格林样条插值和曲面拟合对沥青混合料路用性能因子得分分布区域进行拟合。SMA、AC和ATB得分散点分布区域互不交叉,彼此独立。通过因子分析法可以建立沥青混合料路用性能与集料各项物理化学指标的关系模型,在模型中可以清晰的分辨不同岩性、不同级配类型和不同油石比的沥青混合料的性能分布特征。SMA沥青混合料的粘附性水平较高,耐久性表现差异较大,稳定性水平低于其他两种沥青混合料。AC沥青混合料的稳定性和耐久性表现差异较大,处于两个极端,但粘附性较好,处于SMA和ATB的中间水平。ATB的粘附性水平较低,稳定性和耐久性水平居中,整体分布较为集中,混合料性能较稳定。