Superpave(Super Performance Asphalt Pavement)设计体系是美国公路发展战略研究计划(Strategic Highway Research Program,简称SHRP)的重要研究成果,相比于传统的Marshall设计方法而言,是沥青混合料设计方法的重大进步,然而Superpave设计体系无法直接获取沥青混合料内部体积组成关系,这阻碍了其推广应用。此外,按照Superpave设计的路面也出现了不同程度的早期损坏现象。由此看来,传统的沥青混合料设计方法及设计理念已经越来越无法满足工程实际需要,有必要做出重要革新。直接测量沥青混合料的体积构成关系成为科研工作者日渐重视的研究方向,数字图像处理技术(Digital Image Processing,简称DIP)在此背景下被科研人员逐渐引入到土木工程研究领域,由于其具备诸多优点,因此在土木工程研究领域取得了迅猛发展,逐渐开辟出了全新的研究方向,具备广阔的发展前景。然而,传统的二维数字图像处理技术具有较为明显的局限性,即无法完全反应真实的三维空间结构信息,为了获取内部真实结构图像,往往需要对混凝土试件进行切割等辅助技术手段,这就对原始混凝土试件形成了破坏,而且也无法在此基础上进行加载等进一步的基本力学性能试验。X射线断层扫描(X-ray Computed Tomography,简称X-ray CT)技术通过获取试件内部连续断层图像来反映扫描工件真实的三维空间结构信息,获取的数字图像真实、准确,图像重构的精度极高,显现出极强的发展潜力和应用前景。利用此项技术获取沥青混合料内部空间结构组成,分析其体积参数,进行虚拟力学仿真实验正逐渐成为科研领域的研究热点,借此技术实现计算机辅助设计沥青混合料成为一个宏大的远景目标。从目前国内外所取得的阶段性成果来看,采用X-ray CT技术对混凝土进行相关科学研究还处于初步发展阶段,而在国内则处于起步阶段,尚未将其可获取高精度三维空间结构信息的优势完全发挥出来,对于交叉学科知识的进步与发展借鉴不足,对于传统的力学理论尚未做到有效的继承与创新,要实现沥青混合料计算机辅助设计的目标还需要进行大量基础研究工作。针对目前研究现状,本文基于“分阶段、有侧重点、分步骤实施”的研究准则,以沥青混合料中占据很大体积比例成分的粗集料为研究对象,从粗集料的基础特性入手,融合交叉学科的最新研究进展,在对粗集料特性开展研究的同时也尝试解决应用工业CT技术的若干关键技术问题。本论文总结了提高沥青混合料CT扫描成像质量的物理方法和技术措施,优化了扫描过程参数配置,对于干扰成像质量的主、客观因素进行分析并提出了预防措施。尝试制作了校准仪器,评价测试方法的标准物质。对于主流的商用图像处理软件进行了适用性分析,针对沥青混合料的特定研究需要,以Matlab为平台,进行了初步的软件设计及二次开发工作。借鉴数字图像处理和模式识别等领域的最新研究成果,尝试实现CT扫描二维切片图像的自适应分类,将粗集料成分提取出来进行分析;建立了全新的粗集料连续断层序列图像的三维匹配方法,以此确定代表粗集料成分图像像素的归属,成功地将粗集料特性研究从二维平台转向三维平台。结合数字图像处理手段,探索了描述粗集料颗粒三维空间位置关系的新方法,尝试建立了新的评价沥青混合料中粗集料骨架接触嵌挤程度的定量指标。对于CT扫描获取切片图像中粗集料的二维及三维轮廓进行了合理的数学描述,并基于此对传统的评价粗集料形态特性的实验方法进行了改进,同时为虚拟力学实验中粗集料颗粒的简化描述提供了有益参考。