集料的矿物成分和微观形貌是影响集料抗磨性能的主要因素(或基因),也是直接影响沥青混合料路用性能的重要因素,对集料的服役性能产生重要影响。为研究集料的抗磨性能,选用石英岩、玄武岩、石灰岩、片麻岩和红砂岩五种岩石集料,采用透射电镜试验、扫描电镜试验、X射线衍射试验、X-CT扫描试验、狄法尔磨耗试验、磨光试验、压碎值试验等多尺度试验手段,结合分子动力学模拟和有限元模拟方法,从宏观和微观两个尺度开展集料抗磨性能的分析和模拟研究,主要研究内容包括:(1)在宏观尺度上,参考美国材料与试验协会(ASTM)标准,采用改进的狄法尔磨耗试验,获得五种集料在潮湿环境下的狄法尔磨耗值变化规律,发现:随着磨耗次数增加,集料狄法尔磨耗值呈几何级数增长,而不是线性增长,这为准确评价集料的抗磨性能提供了依据和参考。采用Image-Pro Plus软件对狄法尔磨耗试验产生的碎石、砂粒进行图像分析,获得碎石颗粒的形状、圆度、外接圆直径等信息,揭示了集料在磨耗试验中逐渐破碎成砂的过程,为粗集料形状特性的快速分析提供一种新的途径。(2)采用X-CT扫描技术进行集料的三维模型重构,利用Mimics软件构建集料三维模型样本库,为集料的离散元、有限元模拟提供模型基础。采用MATLAB软件对集料灰度切片优化处理,利用分水岭变换功能,实现集料颗粒的自动分割,提高了不同颗粒间的区分度。在此基础上,结合Geomagic Studio软件的特征分析功能进行集料三维模型的最佳拟合,提出表征集料三维轮廓信息的6个评价指标,更准确、全面地评价集料颗粒形状,为集料的优化选择提供依据。(3)采用美国CoreLok多功能集料密度测试仪测得五种集料的毛体积密度,采用单轴抗压试验获得石英岩集料的弹性模量和泊松比,为集料的虚拟磨耗提供数据基础。选用ABAQUS软件构建滚筒、钢珠、水和空气模型,并结合集料的真实三维模型,采用摩尔库仑塑性破坏准则,模拟狄法尔磨耗试验过程,验证用有限元方法模拟集料的狄法尔磨耗试验的可行性,分析虚拟磨耗试验过程中集料的应力、塑性应变和三维形态变化,发现虚拟磨耗结果和狄法尔磨耗试验结果相吻合,为开展重复性、单一影响因素的虚拟磨耗试验提供了可能,为集料抗磨性能评价提供了新的思路。(4)在微观尺度下,采用X射线衍射试验获得5种集料衍射数据,运用JADE6.0软件获得集料的矿物组成成分。结合能谱分析技术,获得了不同岩石的矿物元素组成和含量,确定了集料的矿物成分构成比例,以此作为构建分子动力学模型的基础。通过分析发现:矿物成分的差异是造成岩石集料抗磨性能差异的主要影响因素,石英的含量越高,集料耐磨性能越高。采用Zeiss Auriga聚焦离子束场发射扫描电子显微镜,获得集料样品200X、1 000X、2 000X、5 000X、20 000X倍数的扫描图像,进行集料样品的微观形貌分析。采用盒子计数法分析了集料表面不同放大倍数下的分形维数,对比分析了狄法尔磨耗试验前后集料表面微观形貌变化,发现:随着放大倍数增大,不同岩石集料的分形维数普遍存在先增大后减小的趋势,磨耗试验后,红砂岩的分形维数有明显的增加,表面更加粗糙,抗磨性能显著增加。(5)采用5种集料的细砂和粉样开展了直剪试验,选用了数显百分表及其采集系统进行直剪应力数据的自动采集,提高了试验的效率和数据准确性,分析了砂样和和粉样在不同压力状态下的直剪应力变化过程,线性拟合精度都在0.99以上,获得了不同样品的粘聚力和内摩擦角,发现:在干燥情况下,细砂和粉样颗粒间的咬合作用同样存在,水溶液对不同集料产生不同的作用影响,减小了石英砂粒的咬合作用,增大了片麻砂的粘聚力。利用LAMMPS软件的granular程序中模拟了非粘性材料,在施加重力情况下,模拟了砂颗粒的自然休止和流动过程。通过竖向应力加载、原子团的匀速运动,模拟细砂颗粒的直剪试验过程,发现:在微观尺度下,增大压力会减小颗粒间的摩擦系数,揭示了砂颗粒抗磨性能的变化规律。(6)采用 Materials Studio 软件,构建了 SiO、CaO、Na2O、MgO 四种氧化物为基底的单一集料模型,并根据XRD分析结果,建立以白云石(CaMg(CO3)2)、石英(SiO2)、滑石(Mg2SiO4)为主要矿物成分的石灰岩复杂集料模型,运用LAMMPS软件进行分子动力学模拟计算,选择周期性边界条件,COMPASS力场和Tersoff势函数,NVT系综,模拟Fe球作用下的集料磨耗过程,分析了不同集料的微观磨耗性能。发现:不同氧化物的抗磨性能从高到底依次是SiO2>MgO>Na2O>CaO,SiO2的结构更加稳定,具有最高的抗磨性能,CaO的抗磨性能较差,容易受到破坏,SiO2在高温下更容易被磨耗,揭示集料抗磨性能存在差异的本质原因是集料矿物成分的显著差异。