长寿命沥青路面Top-Down裂纹开裂机理及寿命预估

为了节约资源,保护环境,降低整体费用，长寿命沥青路面应运而生。要实现沥青路面长寿命化，需探讨其破坏机理，预估其破坏寿命，以改进设计方法，限制破坏进入结构层。本研究针对长寿命沥青路面的Top-down裂纹破坏，考虑沥青混合料的粘弹材料属性，基于以耗散蠕变应变能为指标的沥青混合料断裂力学理论，利用无网格伽辽金/有限元耦合数值方法，建立长寿命沥青路面top-down裂纹的萌生和扩展物理仿真模型，研究长寿命沥青路面top-down裂纹破坏机理。通过对路面结构设计参数如材料属性、结构层厚度等的参数化分析，探求满足长寿命理念的沥青路面设计控制参数，限制top-down裂纹在设计寿命期进入路面结构层，为实现长寿命沥青路面混合料选择和厚度设计提供理论支持。

“长寿命沥青路面Top-Down 裂纹开裂机理及寿命预估”(50908093)项目通过项目负责团队三年的工作，较为圆满地完成了课题目标。课题主要成果包括：发表15篇期刊论文，录用1篇期刊，其中SCI收录4篇，EI收录4篇；参加境外举办的国际会议2次；获省部级科技奖励3次，其中省部级科技进步二等奖1次，省部级科技进步三等奖2次；培养毕业硕士2名，在读硕士3名。.项目在理论研究方面取得了如下成果：.1. 基于断裂力学理论，利用无网格伽辽金/有限元耦合方法，对沥青路面表面裂纹的扩展进行了数值模拟，通过对表面裂纹扩展过程中的应力强度因子变化规律和裂纹扩展路径的分析，以及面层、基层设计参数对裂纹扩展的影响的研究，探讨沥青路面表面裂纹扩展机理。采用车轮-路面相互作用接触模型，研究了车辙对 Top-down 裂纹扩展的影响，分析了车辙深度与不同深度 Top-down 裂纹的应力强度因子关系。研究了同时存在表面裂纹和反射裂纹的沥青路面在交通荷载作用下，表面裂纹和反射裂纹开裂机理及扩展路径，深入讨论了路面材料和结构对裂纹扩展路径的影响，分析了表面裂纹的位置对反射裂纹扩展路径的影响，采用多裂纹小梁弯曲实验验证了多裂纹的扩展行为。.2. 基于水泥稳定基层沥青路面反射裂缝产生机理，在剖析常规施工方法弊端的基础上，提出了一种适用于水泥稳定基层沥青路面的基层、面层连续施工方法。为了配合该连续方法的实施，开发了一种路用水泥稳定基层材料抗裂缝剂，并通过试验研究证实了该抗裂缝剂的路用性能。通过试验路研究，证实了利用基层、面层连续施工方法铺筑的水泥稳定基层沥青路面，路面开裂较常规施工方法显著减少，证明了该施工方法在提高路面抗裂方面的有效性。同时，分析了基、面层连续施工方法抗裂的机理。分析表明，该施工方法主要是通过增加基层自身抗裂性能、减少基层含水量变化和成型初期温度变化幅度三个方面来减少基层自身的开裂，从源头上避免反射裂缝的产生；另外，该施工方法还可以提高基层、面层之间的粘结，从而将路面各结构层有机结合为一个整体，增强路面的整体结构性能，从事实现路面的抗裂能力的提升。最后，对该施工方法存在的不足进行了讨论，提出需要在基层压实度控制、层间粘结机理上进一步研究。