冻融过程沥青混凝土渗流/聚冰机制及破坏特性研究

Flow/icing mechanism in asphalt mixture under the freezing-thawing condition plays an important role in their freeze-thaw damage. However, the unclearity of flow/icing mechanism leads to lack of elaborated studies on freeze-thaw damage of asphalt mixture. .A multi-scale digital technology is adopted in this study. At first, the unsaturated flow mechanism and permeability of asphalt mixture under unfrozen condition is studied. The formation and growth of pore ice during freezing process is analyzed. The effect of pore ice on permeability of asphalt mixture is discussed. The flow/icing mechanism during freezing process is clarified. Secondly, by means of macro phenomenological damage mechanics and non-equilibrium statistics method, the damage propagation characteristics of asphalt mixture is analyzed, and the frost damage constitutive model of asphalt mixture is developed. Finally, failure characteristics of asphalt mixture is studied by combining the flow/icing mechanism of asphalt mixture with damage propagation characteristics under freezing-thawing condition..Our creative researches will reveal the nature of asphalt mixture failure under freezing-thawing condition, which is of great significance for damage assessment and forecast in frozen area. It will also promote the development of flow mechanics and materials subject.

沥青混凝土非饱和渗流是客观存在的，冻融过程沥青混凝土渗流/聚冰机制是冻融破坏产生的本源，但目前国内外对于冻融过程沥青混凝土渗流/聚冰机制尚不明确，导致沥青混凝土冻融破坏缺乏有针对性的研究。本项目采用细观-宏观多尺度结合的数字化技术，研究非冰冻条件下沥青混凝土非饱和渗流特征与渗透特性，分析冻结过程沥青混凝土孔隙冰形成与生长过程及其与孔隙特征的关系，明确孔隙冰的存在对沥青混凝土渗透特性的影响，揭示冻结过程沥青混凝土渗流/聚冰机制；运用宏观唯像损伤理论和非平衡统计方法，研究冻融循环作用下沥青混凝土损伤扩展特性，建立沥青混凝土冻融损伤本构模型；结合沥青混凝土渗流/聚冰机制和冻融损伤扩展特性，研究冻融过程沥青混凝土细观变形演变规律，揭示沥青混凝土冻融破坏特性。.本研究揭示了沥青混凝土冻融破坏的本质，对冰冻地区沥青混凝土损伤评价和预测具有重要的意义，对于渗流力学及材料学科的发展有一定的推动作用。

依据国家自然科学基金申请书中的相关研究规划，项目执行期间研究团队分别对非冰冻条件下沥青混合料非饱和渗流机制、冻结作用对沥青混合料渗流机制的影响及冻融作用下沥青混凝土破坏特性等内容展开了深入研究，具体如下：.(1)针对水分在沥青混合料中渗流特征不明确的问题，开发了多水头沥青混合料恒压渗流装置，研究了水分在沥青混合料中传递的流态变化，阐明了非达西渗流在沥青混合料中的普遍存在性；结合沥青混合料细观结构分布特征，对沥青混合料渗流的方向性进行了合理的解释，并明确了显著影响沥青混合料渗流特征的细观结构参数。.(2)为准确观测沥青混合料细观水分分布，基于X-ray断层扫描技术提出了沥青混合料细观水分分布测试方法；研究了该方法对于不同类型试件的适用性和精度，探讨了工业CT扫描参数对测试结果的影响，提出了应用于沥青混合料细观水分分布的最优参数；在此基础上，初步分析了动/静水作用下沥青混合料内部水分分布特征，证明了沥青混合料在不同条件下渗流的活性空隙。.(3)运用宏观-细观相结合的分析方法，定量研究了冻融作用下沥青混合料渗流流态的变化特征，明确了冻融作用对沥青混合料达西-非达西渗流转化的加剧作用；分析了沥青混合料细观结构冻融损伤的破坏模式；并借助上述两方面研究成果，建立了冻融循环过程中沥青混合料细观结构演变规律与渗流特征间的关系，阐明了冻结作用对沥青混合料渗流特征的影响。.(4)在上述研究的基础上，为探究水分渗流引起的冻融损伤对沥青路面破坏特性的影响，以沥青混合料疲劳破坏为研究对象，分析了其随冻融作用的演化规律及主要影响因素；开展了不同冻融损伤状态下的沥青混合料在小应力条件下细观应变场的分析，从细观尺度揭示了冻融作用对沥青混合料破坏特性影响的机理。.(5)依托本项目发表学术论文14篇，其中SCI检索7篇(中科院1区1篇，2区4篇，交通运输工程领域顶级年刊1篇)，影响因子3.0以上3篇，单篇最高影响因子4.844；EI检索6篇(其中5篇为国家一级期刊)；授权国家发明专利4项；培养博士生1名(已毕业)，硕士研究3名(已毕业2人，在读1人)。