季冻区沥青混凝土冻融循环损伤模型及细观特性研究

Asphalt concrete pavement is seriously freeze-thaw damaged under the action of water and low temperature, which are more apparent for the damage effect of road engineering in seasonally frozen region. While the study for the freeze-thaw damage macro performance of asphalt concrete has been carried out early, but its damage failure process and mechanism in mesoscopic level are not clear. Therefore, this research starts with the damage mechanism, combined with the reliability theory, first of all, to avoid the research on the “black box” level of mesoscopic damage mechanism, and preliminary build the multielement Weibull statistical model of asphalt concrete freeze-thaw damage evolution in macro representation level. Then using the CT tomography technology, we get the microscopic image of asphalt concrete freeze-thaw cycling test at different stages, and with the aid of digital image processing technology, the change of the internal space of asphalt concrete, the extension process and the change characteristics of damage cracks are studied. This project can not only clear the damage mechanism of asphalt concrete during the process of freeze-thaw cycle, but also universal freeze-thaw damage evolution prediction model is set up, which contributes to the evaluation on freeze-thaw damage of asphalt concrete pavement in seasonal frozen, and has important theoretical significance and engineering application value.

沥青混凝土路面在水分与低温共同作用下，会发生严重的冻融损伤破坏，对于季节冻土区的道路工程破坏作用更加明显。虽然对于沥青混凝土冻融损伤宏观性能研究早已开展，但是在细观层次上其损伤破坏过程与机理并不明确。因此，本研究从损伤机理入手，结合可靠度理论，首先避开细观损伤机理这一“黑箱”层次的研究，在宏观表象层次初步构建了沥青混凝土冻融损伤演变的多元Weibull统计模型。然后采用CT断层扫描技术，获取沥青混凝土冻融循环试验不同阶段的细观图像，并借助数字图像处理技术，对沥青混凝土内部空隙的变化、扩展过程以及破坏裂缝的特征变化进行研究。本项目研究不仅可以明确沥青混凝土在冻融循环损伤过程中的损伤机理，而且还能建立普适冻融损伤演变预测模型，有助于对季冻区沥青混凝土路面冻融损伤破坏进行评价，具有重要的理论意义与工程应用价值。

针对季冻区沥青混凝土冻融损伤研究，本项目主要通过宏观与细观的结合进行了深入的分析与研究，同时建立相应损伤模型进行损伤评估与损伤寿命预测。宏观上通过建立沥青混凝土损伤演化的三维多元Weibull分布模型，并考虑模型网格划分对计算精度和计算效率的影响，确定了合适的weibull模型网格划分层数。通过对冻融循环条件下的空隙率、高温、低温、水稳定性、粘弹性、疲劳特性等性能研究，分析了冻融循环作用下路用性能的变化规律，通过三维多元Weibull分布模型来分析不同路用性能对应的形状参数、尺度参数和梯度参数的区别。细观上采用CT断层扫描技术，获取冻融循环损伤作用下初始阶段的沥青混合料细观图像，并借助数字图像处理技术，对沥青混合料内部空隙的变化、扩展过程以及破坏裂缝的特征变化进行研究分析。研究发现，通过分析Weibull损伤模型参数如形状因子、尺度因子和梯度因子，即可以很好的反映冻融损伤的曲线的代表形状以及玄武岩纤维的改性效果，体现整体的冻融损伤演化规律。沥青混合料在冻融循环反复作用下的损伤是一个复杂的动态过程，基于数字图像处理技术，利用分形理论揭示混合料的细观空隙变化机理，应用以分形维数、棱角性、圆度、长短轴比等作为指标来描述空隙的具体变化及原因是合理且行之有效的。