基于沥青-集料界面粘附和砂胶粘聚特性的沥青混合料疲劳损伤行为研究

Fatigue cracking is one of the most essential indices in asphalt pavement design methodologies of each country, therefore, persistent attention has been paid on the research on fatigue damage mechanism of asphalt mixture. Recently, the studies at micro-level have proved that the damage of asphalt mixture has significant relation with the Adhesive Failure at the asphalt-aggregate interface and the Cohesive Failure inside the asphalt mastics. Therefore, the research on the characteristics of asphalt-aggregate interfacial adhesion and mastic cohesion is regarded as the foundation of further study on the mechanism of asphalt mixture fatigue failure.. In this study, the experimental analysis will be carried out both at micro-scale and macro-scale. The constitutive models and indices will be developed which representing the asphalt-aggregate interfacial adhesion and mastic cohesion as well. Subsequently, fatigue damage numerical analysis at high performance computers will be conducted with the finite element models containing micro-structural level material information. The numerical analysis results will be compared and validated with the real asphalt mixture four point bending fatigue tests. Subsequently, the correlativity of the characteristics of interfacial adhesion and mastic cohesion will be established. The purpose is to realize integral study on the mechanism of fatigue damage at a micro level and fatigue distress at a macro level, to provide scientific basis for improving the current mixture fatigue design methodology and the accuracy of asphalt pavement fatigue prediction model.

沥青路面疲劳破坏是世界各国沥青路面结构设计的重要指标，对沥青混合料疲劳破坏机理的研究一直受到研究人员的高度关注。近年来，在细微观层面的研究发现：沥青混合料的失效行为主要和沥青-集料之间的界面粘附失效、以及沥青砂胶位置的粘聚力失效有关。因此，研究沥青-集料的界面粘附和沥青砂胶的粘聚特性，是深入揭示沥青混合料疲劳破坏机理的前提和基础。. 本项目研究通过采用微观与宏观尺度相结合的方式开展试验分析，建立表征沥青-集料界面粘附和沥青砂胶粘聚特性的本构关系与特征量。在此基础上，应用高性能计算机平台开展包含真实三相细微观结构信息的疲劳损伤数值分析。同时，结合沥青混合料真实试件的弯曲疲劳试验结果，建立界面粘附和砂胶粘聚特性与疲劳失效的相关关系。目的是为了实现沥青混合料细观损伤机理和宏观疲劳破坏的整体分析和研究，最终为改进沥青混合料的疲劳耐久设计和提高沥青路面疲劳寿命预估精度提供科学依据。

疲劳开裂作为沥青路面的主要损坏形式，一直是道路工程领域的热点问题。沥青混合料的疲劳裂缝通常产生于沥青胶浆内部以及沥青与集料之间的界面处，这意味着沥青胶浆与集料之间的粘附性能将是影响沥青混合料整体疲劳性能的重要因素。然而，定向考察界面粘附特性对疲劳的影响仍然存在一定的困难，因而，研究合适的测试方法分析沥青胶浆—集料界面粘附特性对材料疲劳寿命的影响十分有必要。.本项目基于化学分析技术、显微观测技术以及动态剪切流变仪，开展沥青胶浆—集料界面粘附条件下的流变与疲劳特性研究，主要研究成果如下：.（1）切割得到了石灰岩、辉绿岩、花岗岩三种类型集料，开展集料的物理化学性质测试，分析了不同类型集料之间的化学成分差异，完成了集料的粗糙度分析以及构造深度密度分布情况分析。.（2）制备了三种粉胶比的沥青胶浆，制作了沥青胶浆—集料—沥青胶浆组合的夹层试件，基于动态剪切流变仪（DSR）探究集料—胶浆界面交互作用对材料粘弹性能的影响。开展20℃应变扫描测试，采用LVE极限应变值评价界面粘结强度。开展多温度频率扫描测试，并采用WLF和Sigmodal方程完成主曲线拟合，评价胶浆—集料体系的宽温度、频率范围内的粘弹性能。.（3）采用了时间扫描试验作为胶浆—集料体系疲劳性能的测试方案，探究了集料类型、粉胶比因素对模量衰减的影响。采用基于S-VECD模型的理论框架分析界面疲劳性能，使用C*N指标计算试件的疲劳寿命，得到疲劳寿命—应力（应变）方程及曲线。此外，得到了各沥青胶浆—集料试件损伤特征曲线（C-S曲线），研究集料类型、应力（应变）水平对试件疲劳演化行为的影响，结果表明：曲线变化与疲劳寿命具有良好对应性。.（4）基于恒应力（应变）模式的各疲劳测试数据，得到了沥青胶浆—集料体系的室内疲劳预测模型，结果显示疲劳寿命与材料初始应变、初始模量之间存在良好的相关性，且相比于恒应变模式，恒应力模式的模型拟合效果更好。