荷载、温度和湿度三场耦合下路面水泥混凝土耐久性细观机制研究

The poor durability of cement concrete pavements make the pavements service life reduce significantly, and the durability degradation process is closely related to the comprehensive effects under traffic loading, temperature and humidity and the hydrodynamic pressure. But, the current study on durability of cement concrete pavement didn't take the multi-field coupling effects into consideration corresponding to the actual cement concrete pavement working environment, so the "durability crisis" of cement concrete pavement isn't effectively dealt with. The research project plans to use the device developed by study group to carry out the cement concrete pavement environmental simulation tests, and analyze the mesoscopic damage mechanism and the variation of physics- mechanics properties of cement concrete pavement under the loading - temperature - humidity three -field coupling and additional hydrodynamic pressure. Based on non-homogeneous material damage mechanics, fracture mechanics, elastic-plastic coupling theory, for cement concrete pavement under the three-field coupling and additional hydrodynamic pressure, dynamic quantitative damage analysis and damage state recognition are carried out , the mechanical constitutive model is investigated in strain space, the damage mechanism and failure criteria are analyzed, and then the correlation of material structure and macroscopic properties is established, the service life is predicted, utilizing modern analysis technique and image processing method. The scientific research achievements can provide a theoretical basis and technical support for optimum durability design, construction and maintenance of cement concrete pavement, with important scientific significance.

路面水泥混凝土的耐久性不良导致水泥路面使用寿命大幅降低，而其耐久性劣化过程与行车荷载、温度和湿度及动水压力等综合作用密切相关，但目前路面水泥混凝土耐久性研究并未针对道路实际环境考虑多因素耦合效应，因而不能有效解决水泥路面"耐久性危机"。本项目拟利用课题组开发的路面水泥混凝土环境模拟试验装置，对荷载-温度-湿度三场耦合及附加动水压力下路面水泥混凝土细观损伤机理和物理力学性能变化规律开展研究。以非均匀材料损伤力学、断裂力学、弹塑性耦合理论等为理论基础，运用现代分析技术及图像处理方法,对路面水泥混凝土结构损伤演化过程进行动态定量分析及损伤状态识别，同时在应变空间内研究其力学本构模型，探讨其在三场耦合及附加动水压力下的损伤机理和破坏准则，建立材料结构与宏观性能的相关性，并对其使用寿命进行预测。本项目研究成果可为路面水泥混凝土耐久性优化设计、施工和维护提供理论依据和技术支撑，具有重要的科学意义。

水泥混凝土路面由于受到外界荷载、温度、湿度等综合作用，致使路面在通车不久就发生不同程度耐久性损伤，正确揭示路面混凝土在实际使用环境中的细观损伤过程，已成为从根本上解决混凝土路面耐久性的关键。为此，本项目围绕荷载、温度和湿度三场耦合下路面水泥混凝土耐久性细观机制展开研究，主要研究内容及成果如下：.（1）根据荷载、温度及湿度对路面混凝土的损伤程度，并结合公路自然区划和气候分区，设计了15种多场耦合试验方案；确定了8个孔参数、4个裂缝参数及4个界面区参数来表达路面混凝土细观结构特征；提出了基于数字图像的细观结构定量表征方法。.（2）研究了三场耦合下路面混凝土宏观性能变化规律，揭示了混凝土力学性能及耐久性衰减机理，建立了耦合条件下混凝土抗冻性和抗渗性预测模型。.（3）孔结构损伤发展为孔隙压缩、过压缩和大孔分裂的变化过程；裂缝结构损伤演化过程为裂缝面积密度增加、裂缝长度延伸、裂缝宽度压缩和扩展交替变化引起的体积变形，以及混凝土内部的微裂缝成核使得裂缝分布复杂程度增加；确定了各细观结构特征参数的临界值。.（4）荷载、冻融和干湿耦合下混凝土细观损伤是荷载弯拉应力、结晶渗透压力和收缩应力的复合效应；荷载、低温和干燥耦合下是荷载弯拉应力、结晶膨胀压力和收缩应力的复合效应；荷载、高温和干湿耦合下是荷载弯拉应力、热微膨胀应力和收缩应力的复合效应。.（5）根据损伤力学原理，通过数值计算方法建立了三场耦合环境下路面混凝土弯拉强度、抗冻性及抗渗性与内部孔结构、裂缝结构以及界面结构的定量关系模型及混凝土寿命预测模型。.（6）基于温度湿度耦合条件，建立了路面混凝土温度、湿度及应力应变等内部场仿真模型，揭示了在温、湿度两场耦合作用下路面混凝土耐久性损伤机理。.综上成果，本研究为路面水泥混凝土耐久性优化设计、施工及养护提供理论依据和技术支撑，也为建立路面水泥混凝土在真实环境下的损伤模型提供依据，具有重要的理论及科学意义。