基于能量法沥青层加铺旧水泥混凝土路面粘弹性断裂力学分析与试验研究

水泥混凝土路面因修复难度大耗时长及修复效果难以保证等问题，在我国道路工程中的应用已处于萎缩状态。在旧水泥混凝土路面上加铺沥青层是有效、快速地对破损路面进行修复改造的措施之一。本项目首先根据沥青面层剪切性能试验和层间接触状态的非线性分析，建立不同层位切向与法向应力变化条件下的接触压力、应力与应变速率方程，解决层间接触变形模态特征与屈服问题；然后进行沥青粘弹性疲劳特性与断裂试验，分析得到沥青混合料内部贮存粘弹性应变能、累计耗散能及新表面能，采用能量守恒定律建立沥青混合料粘弹性断裂能方程和裂缝扩展判据；最后根据沥青加铺结构层间接触本构关系和断裂扩展判据研究，采用ABAQUS软件建立沥青加铺结构反射裂缝的三维有限元模型，分析沥青加铺结构层的裂缝形成与扩展问题。本研究可以用于沥青加铺结构层设计方法、防裂技术方案以及旧水泥混凝土路面处治技术。

在旧水泥混凝土路面上加铺沥青层是有效、快速地对破损路面进行修复改造的措施之一。本项目开展了沥青层与水泥混凝土层间剪切试验、沥青混合料小梁低温弯曲试验以及半圆弯拉试验，分析沥青加铺层结构层的层间抗剪性能和沥青混合料低温抗裂性能；基于能量法有关理论，进行沥青混合料粘弹性断裂扩展判据的研究。研究表明：运用非线性有限元软件ABAQUS，考虑沥青混合料粘弹性，建立含有反射裂缝的路面结构有限元模型，对24h大气温度变化下沥青路面结构层的温度场进行分析，结果表明气候温度变化只对路面结构距路表一定的范围内有影响，裂缝尖端应力强度因子变化曲线随车速的增加而随之移动；对带单边裂纹的矩形板权函数进行了理论推导，并以切口小梁的试验模型为例来计算其应力强度因子，在此基础上建立了小梁的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据，基于单边预切口小梁的三点弯曲试验对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的扩展规律进行了研究。结果表明：相同的荷载作用下，切口越靠近加载点，Ⅰ型应力强度因子和最大能量释放率越大，Ⅱ型应力强度因子和开裂角越小；切口越长，最大能量释放率越大，小梁越容易开裂；小梁在切口不对称的情况下加载出现了Ⅰ-Ⅱ复合型开裂，且起裂荷载随着切口偏离加载点距离的增大而增大；沥青加铺层级配类型对高温环境下层间剪切强度影响较小；使用SBS改性沥青比其他粘层材料更具有良好的抗剪性能；粗糙度大、纹理更丰富的露石界面处理方式能显著提高复合式路面的层间抗剪强度；沥青混合料断裂韧度在评价沥青混合料低温抗裂性能方面与混合料料的弯拉劲度和弯拉应变是一致的，并且在10℃SBS含量为4.2%~5.0%条件下，混合料低温抗裂性能最优；当沥青混合料掺加SBS之后，混合料的断裂韧度在-10℃~0℃情况下对温度变化反应敏感，而普通沥青混合料断裂韧度随温度变化稳定；通过SCB试件（半圆弯拉试件）的研究，表明影响混合料低温抗裂性能最大的影响因素是级配类型，间断级配（SMA）的沥青混合料在低温时的力学性能明显低于密级配（AC）的沥青混合料。