沥青混合料是由沥青结合料、集料、空隙三相构成的三相体，沥青混合料在宏观表现上的差异归根到底是沥青混合料三相在微观上分布的差异。因此对沥青混合料进行微、细观的研究势在必行。 本文首先从沥青混合料集料级配出发，利用分形几何的基本理论，用数理理论描述了集料粒径分布的分形特征，介绍了集料级配分形维数的计算方法。通过对连续级配和间断级配的分形特征进行分析，得出连续级配具有一重分形，间断级配具有二重分形的特点。提出采用粗集料级配分形维数Dc和细集料级配分形维数Df作为描述沥青混合料集料级配分形特点的指标。提出了分形级配理论，采用分形级配理论的计算公式不仅可计算连续级配，还可以计算间断级配。对级配理论进行系统的分析，通过对6种级配设计理论和方法：富勒级配理论、泰波级配理论、伊万诺夫级配理论、林绣贤级配设计方法、粒子干涉理论、贝雷法进行分析，从理论上得出它们均具有分形的性质。以我国现行规范建议的级配为基础，提出了AC级配、SMA级配和SAC级配上下限的Dc、Df值，采用分形级配理论计算公式可计算出满足我国规范要求的级配。 其次本文分别对最大公称粒径为16mm密级配沥青混合料和SMA沥青混合料进行研究，分析集料级配分形维数与路用性能的关系。采用灰关联的分析方法，分析了Dc、Df、油石比对最大公称粒径为16mm的密级配沥青混合料、SMA沥青混合料各项路用性能的影响程度。通过Dc、Df与性能试验结果之间的回归分析，分别得到了满足最大公称粒径为16mm的密级配沥青混合料、SMA沥青混合料各路用性能的Dc、Df建议范围。通过双变量回归，得到最大公称粒径为16mm的密级配沥青混合料、SMA沥青混合料路用性能的预测方程。 研究沥青混合料集料内部的空隙结构。提出集料的体积分形维数是描述集料内部空隙分形结构的重要参数，采用粗集料体积分形维数DVc和细集料体积分形维数DVf作为描述沥青混合料集料内部空隙分形特点的指标。并给出了求取沥青混合料集料体积分形维数的方法。 本文通过大量的试验，分析了沥青混合料集料体积分形维数与路用性能及力学性能之间的关系。采用灰关联的分析方法和回归方法，分析了沥青混合料高温稳定性、抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度、疲劳寿命的影响因素。通过大量路用性能试验和力学性能试验，建立了以集料体积分形维数DVc和DVf为参数的高温稳定性、抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度、疲劳寿命预测方程。 本文最后提出了基于分形理论的沥青混合料设计方法。该方法的基本思路是：首先根据设计要求初选级配分形维数，利用分形级配理论的级配计算公式计算初选级配，利用路用性能预估公式对级配进行评价，计算沥青混合料集料的体积分形维数，利用集料体积分形维数与路用性能的关系预测混合料性能，反复调整级配和集料直至满足路用性能要求。