基于细观结构的沥青碎石封层力学行为特征及破坏机理研究

本项目采用试验测试、虚拟试验和数值模拟等综合手段对沥青碎石封层力学行为特征和破坏机理进行研究。通过锤击试验研究集料-沥青间粘附性能的影响因素，利用改进的剪切蠕变试验和虚拟剪切蠕变试验对集料-沥青间界面特性进行研究，获取基于集料表面特性的沥青材料粘弹性参数；通过任意多面体随机生成技术模拟集料几何形状，构建沥青碎石封层三维细观结构模型，分析集料、沥青内部、集料-沥青界面、集料-基层界面等处的应力、应变和位移，研究沥青碎石封层在移动荷载作用下的力学行为特征，揭示路面破坏的力学机理，并通过室内试验结果与计算结果进行比较，对数值模拟的合理性进行验证。根据内部影响因素（沥青性能、碎石性质和形状等）和外部影响因素（荷载和温度等）对力学行为特征的影响，提出改善碎石封层路用性能的有效措施。综合研究结果提出基于细观力学分析的沥青碎石封层设计方法，为沥青碎石封层材料设计及性能预测提供新的思路。

本项目在现场调研基础上，对沥青碎石封层路面的损害类型和损害原因进行分析，确定了主要损坏形式，提出了碎石封层路面损坏的评价指标。通过室内锤击试验对集料与沥青之间的粘附性能进行了研究，分析了集料与沥青之间粘附性能的影响因素。利用剪切蠕变试验和频率扫描试验对集料-沥青间界面特性进行研究，获取了基于集料表面特性的沥青材料粘弹性参数。通过分析碎石的细观应力和引入时间函数，建立了移动交通荷载模型，从而获得基于细观结构的封层路面交通荷载参数。在考虑实际工程中集料的平均最小尺寸、沥青洒布率、沥青－集料之间的层间厚度、沥青－基层之间的层间厚度、集料－集料之间的距离和构造深度的基础上，构建了由碎石颗粒、沥青和基层组成的沥青碎石封层三维细观结构模型。在此基础上，利用有限元软件对集料、沥青层内部、集料－沥青界面、集料－基层界面等处的应力、应变和位移进行分析，研究其在移动荷载作用下的力学行为特性，进而揭示了碎石封层路面的破坏机理。通过碎石封层内部影响因素（沥青性能、集料性质和形状等）和外部影响因素（荷载和温度等）对结构内部细观应力、应变和位移的影响研究，提出了改善碎石封层路用性能的有效措施，为沥青碎石封层材料设计、性能预测及封层路面寿命预估提供新的研究思路。