疲劳荷载作用下沥青路面粘结层力学响应特性及破坏机理研究

Shear strength was commonly used to evaluate the effects of bonding agents on pavement layer shear strength. However, the shear fatigue failure process under horizontal forces from traffic loading was not reflected in this shear strength parameter. In this study, a new test method based on"Composite Specimen Interface Cracking(CSIC)"test was developed to evaluate the pavement layer shear fatigue performance of bonding agents. A new parameter, "damage rate", was introduced to consider the stress dissipation capability of bonging agents under repeated loading. Meanwhile, the shear cracking initiation and propagation was analyzed using the finite element method and"HMA Fracture Mechanics". The parameters needed for HMA Fracture Mechanics analysis can be obtained through shear modulus, shear creep and shear strength tests. This new test method can be used to evaluate effects of bonding agents, including type, application rate, cure time and pavement surface condition on pavement layer shear fatigue performance. The quantitative parameter, which was introduced to evaluate bonding agents shear fatigue performance in this study, can be used to optimize bonding agents' selection to extend pavement service life.

当前，评价沥青路面层间粘结性能多采用层间剪切强度，而这一指标并未考虑实际道路在车辆水平荷载作用下路面层间疲劳剪切破坏过程。本研究拟开发一种基于"复合试件粘结层抗裂试验"的新型层间疲劳剪切试验方法并提出新的粘结层性能评价指标 -"粘结层剪切破坏速率"。该指标可反映粘结层材料在疲劳荷载作用下的应力消散能力，进而更准确地反映实际路况下的粘结层抗剪性能。在粘结层剪切参数试验基础上，建立复合试件有限单元模型并结合"沥青混凝土断裂力学"理论对层间剪切裂纹起裂及扩展规律进行研究。新的剪切试验方法可用于评价粘结层材料类型、用量、养生时间及粘结层路表状况对粘结层剪切性能的影响。本研究可对粘结层的疲劳剪切性能进行量化研究，在一定程度上揭示了粘结层剪切破坏机理，为合理选择粘结层，延长道路使用寿命提供科学指导。

目前用来评价沥青路面层间粘结性能的抗剪强度指标无法考虑道路在车辆水平荷载作用下路面层间疲劳剪切破坏过程这一实际情况。本项目开发了基于“复合试件粘结层抗裂试验”的新型层间疲劳剪切试验方法并提出新的粘结层性能评价指标 —“粘结层剪切破坏速率”。该指标可反映粘结层材料在疲劳荷载作用下的应力消散能力，进而更准确地反映实际路况下的粘结层抗剪性能。新的剪切试验方法可用于评价粘结层材料类型、用量、养生时间及粘结层路表状况对粘结层剪切性能的影响。研究成果可对粘结层的疲劳剪切性能进行量化研究，在一定程度上可揭示粘结层剪切破坏机理，为合理选择粘结层，延长道路使用寿命提供科学指导。本项目主要研究成果包括：(1) 通过文献评述，分析了现有研究方法的优点与局限性，并制定详细研究大纲；(2) 采用有限单元法以罩面层剪应力的最大值为指标，建立了复合型剪切试件的三维有限单元模型，获得罩面层及下层路面最优厚度，即复合试件尺寸。(3) 通过尝试获得了疲劳荷载试验加载值，它既能保证合理的疲劳试验时间又保证粘结层材料在疲劳试验过程中有足够的时间消散累积于层间的剪切应力。(4) 提出荷载循环次数与粘结层剪切破坏速率两项指标评价粘结层材料抗剪切性能，这两个参数可评价粘结层材料类型、用量及温度对层间疲劳剪切性能的影响。研究成果直接影响人们对沥青路面层间粘结材料抗剪性能的传统认知，促进沥青路面设计与施工方面的发展，为解决复杂科学与工程问题提供新思路。