本书是作者二十余年路面颗粒体系研究成果的总结。为了探究沥青路面在交通荷载作用下的服役行为和设计理论，本书借助计算路面材料学方法对路面颗粒体系的几何问题、界面问题、堆积问题、流变问题等进行系统介绍。本书从路面颗粒体系的角度出发，采用多尺度联合表征手段进行了包括集料颗粒几何特性和物化特性、颗粒和空隙空间分布、颗粒运动规律等在内的路面颗粒材料试验研究和数值模拟，阐述了颗粒材料的形态、特性、级配和颗粒间界面等微细观特性与路用性能、病害机理间的相关关系及影响机制，旨在从颗粒角度认识和理解沥青混合料，从而阐释沥青混合料的物质属性和服役行为，以更好地完善沥青混合料的设计理论。

目录
前言
0 绪论 1
0.1 基本概念 1
0.2 基本问题 3
0.2.1 几何问题 3
0.2.2 堆积问题 4
0.2.3 界面问题 4
0.2.4 流变问题 5
0.3 基本特性 6
0.4 工程效应 8
0.4.1 多尺度 8
0.4.2 多相态 10
0.4.3 多物理场 10
0.4.4 非平衡态 11
参考文献 12
第一篇 路面材料计算方法
第1章 分子动力学方法 17
1.1 基本原理 17
1.2 计算分析方法 19
1.3 路面材料分子模型 21
1.3.1 沥青分子模型 21
1.3.2 集料分子模型 22
1.3.3 沥青-集料界面模型 23
1.4 路面材料中的分子动力学模拟 23
参考文献 26
第2章 离散元方法 27
2.1 基本原理 27
2.2 计算分析方法 28
2.3 路面材料离散元试件的构建 32
2.3.1 路面材料结构特征 32
2.3.2 构建方法 33
2.4 路面材料离散元分析 43
2.4.1 颗粒接触模型 43
2.4.2 接触参数及其确定方法 45
参考文献 48
第3章 有限元方法 51
3.1 基本原理 51
3.2 计算分析方法 51
3.3 沥青材料本构模型 54
3.3.1 黏弹性本构模型 54
3.3.2 黏弹塑性本构模型 61
3.4 沥青材料损伤模型 63
3.4.1 损伤变量与有效应力 63
3.4.2 损伤演变规律 64
参考文献 66
第4章 路面材料计算关联技术与理论 67
4.1 数字图像处理技术 67
4.1.1 概念及特点 67
4.1.2 在颗粒路面材料中的应用 68
4.2 分形理论 71
4.2.1 概念及特点 71
4.2.2 在颗粒路面材料中的应用 73
参考文献 74
第5章 路面材料学多尺度计算模拟 75
5.1 混合料开裂行为的多尺度计算模拟 75
5.1.1 有限元开裂行为分析方法 75
5.1.2 分子动力学微观开裂行为分析方法 80
5.1.3 FEM-MD耦合开裂行为分析方法 81
5.2 混合料强度形成的多尺度计算模拟 83
5.2.1 离散元方法 84
5.2.2 分子动力学方法 91
5.2.3 量子化学方法 93
参考文献 94
第二篇 几何问题
第6章 集料单体几何特征 99
6.1 形状 99
6.2 棱角 100
6.3 纹理 101
6.4 形貌 102
参考文献 103
第7章 集料的形状特征 105
7.1 集料形状评价方法 105
7.1.1 量化评价指标 105
7.1.2 测量技术手段 107
7.2 集料形状特征的二维解析 107
7.2.1 粗集料形状特征的二维解析 107
7.2.2 细集料形状特征的二维解析 111
7.3 集料形状特征的三维解析 115
7.4 集料形状特征影响分析 118
7.4.1 不同岩性集料形状影响分析 118
7.4.2 不同粒径集料形状影响分析 124
参考文献 128
第8章 集料的棱角特征 129
8.1 集料棱角评价方法 129
8.1.1 量化评价指标 129
8.1.2 测量技术手段 130
8.2 粗集料棱角特征的二维解析 133
8.2.1 投影面A的棱角性 133
8.2.2 基于优选半径的棱角性 135
8.2.3 基于周长的棱角性 138
8.3 细集料棱角特征的二维解析 140
8.4 集料棱角特征影响因素 142
8.4.1 集料来源特征对棱角性的影响 142
8.4.2 集料组成对棱角性的影响 142
参考文献 142
第9章 集料的纹理特征 143
9.1 集料纹理评价方法 143
9.1.1 量化评价指标 143
9.1.2 测量技术手段 146
9.2 基于分数布朗随机场模型的集料纹理特征 150
9.2.1 玄武岩的表面纹理 151
9.2.2 各粒径玄武岩表面纹理变化规律 159
9.3 基于轮廓算术平均偏差的集料纹理特征 160
9.3.1 玄武岩表面纹理特征评定 160
9.3.2 玄武岩表面纹理评定指标的内在联系 163
9.4 集料纹理特征影响因素 164
9.4.1 集料来源特征对纹理的影响 164
9.4.2 集料加工特征对纹理的影响 165
参考文献 166
第10章 集料的形貌特征 167
10.1 集料形貌评价方法 167
10.1.1 量化评价指标 167
10.1.2 测量技术手段 169
10.2 集料表面形貌特征的二维解析 175
10.2.1 粗集料表面形貌的分析 175
10.2.2 细集料表面形貌的分析 178
10.3 集料表面形貌特征的三维解析 182
10.4 集料形貌特征影响因素 184
10.4.1 方向性的影响 184
10.4.2 量测区域的影响 184
参考文献 184
第三篇 界面问题
第11章 沥青-集料界面问题 187
11.1 基本概念 187
11.2 沥青-集料界面性能评价 187
11.3 沥青-集料界面复杂性 188
11.3.1 材料性状及工况环境的多样性 189
11.3.2 多尺度特性 189
参考文献 190
第12章 沥青-填料界面的交互作用 192
12.1 沥青-填料界面交互作用评价 192
12.1.1 复数黏度 192
12.1.2 复数模量 194
12.1.3 相位角 196
12.1.4 评价方法比选 198
12.2 试验条件对沥青-填料界面交互作用的影响 204
12.2.1 试验条件对沥青胶浆流变特性的影响 204
12.2.2 试验温度对沥青-填料界面交互作用的影响 210
12.2.3 加载频率对沥青-填料界面交互作用的影响 212
12.3 填料特性对沥青-填料界面交互作用的影响 215
12.3.1 填料特性对沥青胶浆流变性能的影响 215
12.3.2 填料体积分数对沥青-填料界面交互作用的影响 216
12.3.3 填料粒度对沥青-填料界面交互作用的影响 218
12.3.4 SiO2含量对沥青-填料界面交互作用的影响 219
12.4 沥青特性对沥青-填料界面交互作用的影响 220
12.4.1 老化程度对沥青胶浆流变特性的影响 220
12.4.2 老化程度对沥青-填料界面交互作用的影响 224
12.4.3 沥青性质对沥青-填料界面交互作用的影响 224
12.4.4 材料特性影响因素显著分析 226
参考文献 227
第13章 沥青-集料表面润湿动力学 228
13.1 沥青浸润光滑集料表面 228
13.1.1 沥青浸润光滑集料的浸润模型 228
13.1.2 沥青浸润粗糙集料的简化模型 230
13.1.3 常温下的浸润规律 231
13.2 沥青浸润粗糙集料表面 233
13.2.1 浸润模型的计算参数 234
13.2.2 浸润过程 234
13.3 沥青浸润过程的影响因素 235
13.3.1 考虑温度变化的浸润模型修正 235
13.3.2 沥青降温对浸润过程的影响 236
13.3.3 沥青起始温度对浸润过程的影响 237
13.3.4 集料表面纹理尺寸对浸润过程的影响 238
参考文献 239
第14章 沥青-集料界面行为的表面能特性 240
14.1 沥青与集料的表面能测试 240
14.1.1 接触角测试方法及试样制备 240
14.1.2 接触角测试结果与分析 241
14.2 沥青-集料界面表面能参数 242
14.3 沥青-集料界面黏附与剥落过程的表面能评价 243
14.3.1 沥青-集料黏附功计算及评价 243
14.3.2 沥青-集料剥落功计算及评价 244
参考文献 245
第15章 沥青-集料界面行为的分子动力学模拟 246
15.1 沥青-集料分子模型的构建 246
15.1.1 老化前后基质沥青分子模型构建 246
15.1.2 老化前后胶粉改性沥青分子模型建立 249
15.1.3 沥青分子模型合理性验证 250
15.1.4 集料分子模型选择 252
15.2 沥青-集料界面的能量特性 252
15.2.1 沥青-沥青黏聚能计算 252
15.2.2 沥青种类对界面黏聚能的影响 253
15.2.3 沥青-集料界面黏附性 253
15.3 沥青老化对界面分子行为及结构性状的影响 256
15.3.1 沥青老化对黏聚能的影响 256
15.3.2 沥青老化对黏附能的影响 257
参考文献 258
第四篇 堆积问题
第16章 集料群体堆积行为 261
16.1 沥青混合料的细观结构特征 261
16.1.1 细观结构的划分层次 261
16.1.2 细观结构识别与表征 262
16.2 沥青混合料的细观数值模拟 267
16.2.1 FEM研究 268
16.2.2 DEM研究 269
16.3 颗粒物质力学研究进展 271
16.4 沥青混合料的颗粒物质属性 273
参考文献 275
第17章 沥青混合料堆积结构的数字化识别 282
17.1 沥青混合料堆积结构的级配识别 282
17.1.1 体视学假设和基本关系 283
17.1.2 集料三维尺寸确定方法 284
17.1.3 基于施瓦茨-萨尔特科夫法的骨料修正系数的计算 287
17.1.4 骨料修正系数验证 293
17.2 沥青混合料堆积结构的体积特性识别 294
17.2.1 基于图像处理的混合料空隙特征 295
17.2.2 沥青路面芯样横向均匀性分析方法 301
17.2.3 沥青路面芯样竖向均匀性分析方法 306
17.3 多孔沥青混合料堆积结构的空隙分布特征 310
17.3.1 多孔沥青混合料空隙分布描述的基本参数 310
17.3.2 多孔沥青混合料CT图像解析 313
17.3.3 空隙级配分析与分形表达 315
17.3.4 多孔沥青混合料堆积结构的空隙横向分布特征 316
17.3.5 多孔沥青混合料堆积结构的空隙竖向分布特征 319
17.3.6 多孔沥青混合料堆积结构的空隙空间分布特征 322
17.4 多孔沥青混合料堆积结构的空隙分布特征影响因素 325
17.4.1 矿料级配对多孔沥青混合料空隙分布特性的影响 325
17.4.2 压实功对多孔沥青空隙分布特性的影响 330
17.4.3 压实方法对多孔沥青空隙分布特性的影响 333
参考文献 335
第18章 沥青混合料堆积结构的传荷特性 337
18.1 沥青混合料堆积结构的数字化重构 337
18.1.1 基于图像处理技术的真实沥青混合料细观模型重构 337
18.1.2 基于 Monte Carlo方法的二维随机沥青混合料细观模型重构 348
18.1.3 三维集料颗粒生成与三维随机沥青混合料细观模型重构 354
18.2 沥青混合料细观颗粒堆积结构与骨架传荷特性 359
18.2.1 颗粒堆积模拟方法与参数 359
18.2.2 细观堆积结构评价指标 361
18.2.3 理想堆积模型的颗粒摩擦与干涉效应 364
18.2.4 沥青混合料堆积模型的级配效应与骨架传荷特性 372
18.2.5 振动压实对堆积结构的激励效应 382
18.3 常温下沥青混合料细观黏弹性力学特性与演化行为 384
18.3.1 沥青混合料细观黏弹性本构模型及参数 385
18.3.2 沥青砂浆及混合料动态模量室内试验 390
18.3.3 动态模量虚拟仿真试验 397
18.3.4 细观黏弹性力学特性与演化行为 402
18.3.5 细观参数对黏弹性力学特性的影响 404
18.4 高温下沥青混合料细观塑性力学特性与演化行为 408
18.4.1 模拟沥青混合料塑性变形的细观本构模型及参数 409
18.4.2 车辙虚拟仿真试验 413
18.4.3 车辙试验过程细观塑性变形力学特性与演化行为 416
18.4.4 细观参数对沥青混合料较为变形的影响 424
18.5 低温下沥青混合料细观断裂力学特性与演化行为 426
18.5.1 SCB室内试验 427
18.5.2 SCB虚拟仿真试验 433
18.5.3 细观断裂力学特性与演化行为 440
18.5.4 细观参数与混合料断裂力学行为 443
参考文献 445
第19章 考虑颗粒相互作用的沥青混合料细观力学模型 448
19.1 沥青混合料细观力学模型 448
19.1.1 复合材料细观力学基本理论 448
19.1.2 单夹杂沥青混合料细观力学模型 448
19.1.3 多夹杂沥青混合料细观力学模型 453
19.2 沥青混合料细观力学模型多尺度适用性分析 454
19.2.1 细观力学模型多尺度验证 454
19.2.2 细观力学模型适用性影响分析 458
19.3 考虑颗粒相互作用的沥青胶浆有效复数模量预测模型 462
19.3.1 考虑颗粒相互作用的细观力学模型 462
19.3.2 沥青胶浆有效模量预测与验证 466
19.4 考虑颗粒相互作用的沥青混合料动态模量预测模型 474
19.4.1 考虑颗粒相互作用的细观力学模型 474
19.4.2 沥青混合料动态模量测试 478
19.4.3 沥青混合料动态模量预测与模型验证 482
参考文献 483
第20章 沥青混合料堆积结构的破坏 486
20.1 不同受力模式下沥青混合料破坏特征 486
20.1.1 沥青混合料的破坏特点 486
20.1.2 不同受力模式下沥青混合料的强度 487
20.1.3 不同受力模式下沥青混合料的破坏特征 489
20.2 沥青混合料堆积体破坏的细观结构信息 492
20.2.1 沥青混合料破坏的评价指标 492
20.2.2 不同受力模式下沥青混合料破坏的细观结构 493
参考文献 506
第21章 基于集料单体几何特征的沥青混合料级配设计 507
21.1 集料单体几何特征的分形几何表达 507
21.1.1 分形几何体系下的集料形态特征 507
21.1.2 集料级配的分形 509
21.2 基于矩阵博弈的沥青混合料级配设计方法 514
21.2.1 矩阵博弈级配设计模型 514
21.2.2 基于矩阵博弈的集料级配设计 517
21.2.3 集料形态特征指标的引入 523
21.2.4 基于假设检验的设计结果可靠性分析 528
21.3 沥青混合料级配设计方法的试验验证 530
21.3.1 基于CBR试验的设计方法验证 530
21.3.2 基于VCA试验的设计方法验证 534
参考文献 537
第五篇 流变问题
第22章 拌和阶段沥青混合料的流变特性 541
22.1 松散热态沥青混合料流变特性测试 541
22.1.1 流体流变特性及分类 541
22.1.2 松散热态沥青混合料流变特性 542
22.1.3 沥青混合料流变测试仪设计 543
22.1.4 流变特性测试试验参数 546
22.1.5 流变特性评价指标 547
22.2 拌和阶段松散热态沥青混合料的流变特性评价 552
22.2.1 不同沥青用量下的混合料流变特性 552
22.2.2 不同优选公称粒径沥青混合料流变特性 555
22.2.3 不同级配沥青混合料的流变特性 557
22.2.4 沥青混合料流变特性与压实性能相关性 559
参考文献 563
第23章 压实阶段沥青混合料的流变特性 564
23.1 压实阶段热拌沥青混合料的压实特性 564
23.1.1 基于旋转压实的热拌沥青混合料压实特性 564
23.1.2 基于马歇尔击实的热拌沥青混合料压实特性 570
23.2 热拌沥青混合料的温度演化规律及压实工艺 573
23.2.1 碾压温度场 573
23.2.2 沥青混合料的有效压实时间 584
23.2.3 热拌沥青混合料压实能量 588
23.2.4 基于有效压实时间的热拌沥青混合料现场压实工艺 593
参考文献 598
第24章 服役阶段沥青混合料的流变特性 599
24.1 评价方法与试件处理 599
24.1.1 评价方法 599
24.1.2 试件处理 599
24.2 断面颗粒运动规律 600
24.2.1 基于位移等值线的断面颗粒运动规律 600
24.2.2 基于数字图像处理技术的断面颗粒运动规律 608
参考文献 625
第25章 集料单体几何特性与沥青混合料流变特性 626
25.1 集料单体几何特性的表征 626
25.1.1 集料几何特性试验材料 626
25.1.2 集料几何特性评价指标 627
25.1.3 集料几何特性测试 632
25.2 集料单体几何特性对拌和阶段沥青混合料流变的影响 644
25.2.1 集料及沥青混合料拌和流变特性 644
25.2.2 集料几何特性与集料拌和流变特性关系 654
25.2.3 集料几何特性与沥青混合料拌和流变特性关系 663
25.3 集料单体几何特性对压实阶段沥青混合料流变的影响 667
25.3.1 集料及沥青混合料压实流变特性 667
25.3.2 集料及沥青混合料压实流变特性测试 669
25.3.3 集料几何特性与集料压实流变特性关系 675
25.3.4 集料几何特性与沥青混合料压实流变特性关系 684
25.4 集料单体几何特性对服役阶段沥青混合料流变的影响 688
25.4.1 服役阶段沥青混合料流变特性 688
25.4.2 服役阶段沥青混合料流变特性测试 689
25.4.3 沥青混合料服役阶段流变特性测试结果及分析 690
25.4.4 集料几何特性与沥青混合料服役阶段流变特性关系 694
参考文献 700
第26章 沥青混合料的多级分散体系与其流变特性 701
26.1 沥青结合料分散尺度的流变特性与关联性 701
26.1.1 沥青结合料流变试验设计 701
26.1.2 沥青黏温曲线及感温性 703
26.1.3 沥青高温线性黏弹特征 705
26.1.4 沥青高温重复蠕变和恢复流变特性 710
26.1.5 沥青高温多重应力蠕变恢复流变特性 716
26.1.6 沥青低温线性黏弹特征 719
26.1.7 沥青中温疲劳特征 721
26.1.8 沥青老化敏感性流变指标 724
26.2 沥青胶浆分散尺度的流变特性及影响因素 728
26.2.1 沥青胶浆流变试验设计 728
26.2.2 沥青胶浆黏温曲线及影响因素 730
26.2.3 沥青胶浆高温线性黏弹特征 733
26.2.4 沥青胶浆高温重复蠕变和恢复流变特性 742
26.2.5 沥青胶浆高温多重应力蠕变恢复流变特性 752
26.2.6 沥青胶浆低温线性黏弹特征 762
26.2.7 沥青胶浆流变特性与沥青结合料流变特性相关性 767
26.3 沥青混合料分散尺度的流变特性与影响因素 777
26.3.1 沥青混合料流变试验及评价指标 777
26.3.2 旋转压实流变特性表征 781
26.3.3 拌和阶段集料分散相对沥青混合料拌和流变特性影响机制 785
26.3.4 集料分散相几何特性与混合料拌和流变特性灰色关联分析 790
26.3.5 沥青胶浆介质对沥青混合料压实流变特性影响机理 791
参考文献 794