沥青混凝土非达西渗流特征与冻融损伤结构基因组研究

Unsaturated seepage of asphalt concrete is the origin of its freeze-thaw damage, however, Darcy’s law has limitation in describing the common heterogeneous seepage characteristics of asphalt concrete, which is difficult to provide direct basis for the research on the path of freeze-thaw damage and its structural characteristics. This project, by means of analysis method combining macro-micro structure, study both the characteristics of seepage and the distribution of the path of unsaturated asphalt concrete, establish the non-Darcy seepage field control equation of asphalt concrete, propose the flow boundary conditions of non-Darcy seepage field. Also, this project, combining the characteristics of micro moisture distribution of asphalt concrete, study the local damage in micro structure of asphalt concrete under freeze-thaw condition, establish the criterion of freeze-thaw damage of asphalt concrete. Based on the non-Darcy seepage field control equation, flow boundary conditions and criterion of freeze-thaw damage of asphalt concrete mentioned above, this project establish the micro liquid-solid coupling model under the action of freeze-thaw of asphalt concrete, clarify the path of freeze-thaw damage degradation of asphalt concrete, build up the micro structural genomics group of freeze-thaw damage of asphalt concrete based on statistical characteristics..This study reveals the nature of freeze-thaw damage of asphalt concrete, which has vital significance to the evaluation of pavement damage in cold region and plays a role in promoting the development of seepage mechanics and material science of porous media.

沥青混凝土非饱和渗流是其冻融损伤产生的本源，但达西定律在描述沥青混凝土普遍存在的非均匀渗流特征时具有局限性，难以为诱发冻融损伤的结构特征研究提供直接依据。本项目借助宏-细观结合的分析方法，研究非饱和沥青混凝土渗流的流态特性与空间渗流路径，阐明沥青混凝土非达西渗流特征，建立非达西渗流场控制方程与流动边界条件；运用细观统计损伤力学原理识别沥青混凝土细观结构损伤，研究非达西渗流作用下沥青混凝土细观结构的冻融局部损伤行为，确立冻融损伤发生的判别准则；基于上述沥青混凝土非达西渗流场控制方程、流动边界条件与冻融损伤发生判别准则的研究，建立冻融作用下沥青混凝土细观流-固耦合模型，阐明沥青混凝土冻融损伤路径的代表性结构基因单元，构建基于统计特征的沥青混凝土冻融损伤的细观结构基因组群。本研究揭示了沥青混凝土冻融损伤本质，对寒区路面损伤评价与预测具有重要意义，对多孔介质渗流力学及材料学的发展有一定推动作用。

沥青混合料的冻融损伤是制约寒区沥青路面耐久性的核心问题。沥青混合料的非饱和渗流特性是沥青路面冻融损伤的本源，基于渗流特征阐明诱发冻融损伤的细观结构特性，是解决冰冻地区沥青路面冻融损伤的关键。.本项目依据国家自然科学基金申请书中的相关规划，对非饱和沥青混合料非达西渗流流态特征、非饱和沥青混合料非达西细观渗流路径、考虑非达西渗流的沥青混合料细观结构冻融损伤行为，以及基于统计特征的沥青混合料冻融损伤结构基因组群等内容展开了深入研究，具体如下：.（1）针对沥青混合料非均匀渗流特征问题，研究了水分在沥青混合料内的渗流流态变化及水分分布变化情况，明确了沥青混合料非达西渗流临界点的转化依据；基于有限元计算方法，根据空隙内水分渗流流态分析，建立了沥青混合料渗流仿真模型。.（2）针对沥青混合料细观水分分布及渗流特征不明确的问题，提出了基于X-ray CT的点源渗流实验方法，明确了沥青混合料内润湿锋面的时空渐进分布规律，及渗流路径的发展规律；阐明了空隙形貌对水分流动的影响，明确了沥青混合料渗流惰性空隙的形貌特征。.（3）为明确沥青混合料渗流行为与细观冻融损伤行为的相互作用，基于细观润湿锋面迁移特征演变分析，明确了冻融与渗流作用的增强关系；从能量角度建立了基于图像信息熵和应变能的细观损伤评价方法，分析了能量变化及空间分布规律，明确了冻融损伤的发展路径。.（4）围绕沥青混合料三维空隙形态特征，建立了空隙形态特征评价指标，分析了不同空隙的典型差异特征，进行了空隙典型结构单元分类，统计了空隙形态基因特征，建立了空隙形态特征基因组；开发了随机空隙模型设计方法，并明确了空隙内渗流特征，及冻融作用下的渗流特征演变规律。.(5)发表学术论文16篇，其中SCI检索14篇，EI检索1篇；授权国家发明专利3项；培养博士生3名，硕士研究13名。.本项目为冻融作用下沥青混合料损伤机理奠定理论基础，同时为冰冻地区沥青路面损伤评价与性能预估技术的发展提供理论支持。