基于矿料摩擦和界面滑移效应的沥青混合料力学行为及机理

沥青混合料是颗粒性多相复合材料，矿料颗粒间的摩擦特性及滑移行为在很大程度上决定了沥青混合料的力学响应和变形行为，但相关研究尚属空白，沥青混合料级配设计和性能分析预测等方面缺乏理论依据，亟需开展矿料微细观力学方面的研究。本项目根据沥青混合料的散体特性，借助CT扫描和图像分析技术分析矿料接触特性及应力传递规律；借鉴摩擦学理论及离散元数值模拟方法，研究沥青混合料中矿料摩擦特性及界面滑移损伤规律，提出矿料摩擦及滑移行为评价试验方法和参数，在影响因素分析的基础上，建立矿料系统摩擦方程和矿料滑移动力学模型；研究矿料摩擦及滑移行为与沥青混合料力学响应之间的关系，揭示沥青混合料强度形成与失效机理；研究矿料滑移行为与混合料变形之间的关系，进而采用摩擦及滑移行为参数指导矿料级配优化以及沥青混合料设计，并建立沥青混合料永久变形预测模型。研究成果对提高沥青混合料设计水平，减少路面病害，延长路面寿命具有重要意义。

车辙是当前我国高等级公路沥青路面问题最突出，危害最大的损坏类型之一，不仅严重影响路面的使用质量和服务寿命，而且影响交通安全。沥青混合料是颗粒性材料，矿料颗粒间的滑移特性在很大程度上决定了沥青混合料的力学响应和变形行为。. 针对沥青混合料矿料的接触特性，采用CT扫描及数字图像处理技术分析了矿料的接触特性，验证了二维层面分析矿料接触特性的真实有效性。通过设计合理的程序，搜索矿料的有效接触点，进而提出了矿料接触程度的定量评价指标C1。. 根据矿料界面的滑移特性，自主开发了评价矿料滑移特性的试验装置。根据矿料滑移变形曲线，提出了矿料滑移破坏荷载 ( )、矿料滑移破坏变形（Ds）、矿料滑移模数 (M)和矿料滑移能量指数 (SEI)等矿料滑移评价参数，分析了试验温度、沥青含量、矿料级配等因素对矿料滑移特性的影响，并进行了矿料滑移参数与沥青混合料变形、矿料接触度参数（C1）的相关性分析，推荐采用滑移能量指数SEI评价沥青混合料中矿料的滑移性能。. 采用重复加载蠕变试验研究沥青混合料的变形行为，通过蠕变曲线，得到了流动次数、永久应变、第二阶段斜率、截距以及组合参数εp/Fn等力学参数，相关分析表明，流动次数、二阶段斜率、εp/Fn都与车辙深度有较好的相关性，但εp/Fn的相关性最好，可以评价沥青混合料的抗变形能力。同时采用SPT试验，研究沥青混合料的动态响应，分析试验温度和加载频率对沥青混合料动态模量及相位角的影响，并在此基础上讨论了动态响应移位因子，并形成主曲线，描述沥青混凝土的力学响应。动态模量与组合参数εp/Fn具有良好的相关性，验证了沥青混合料组合参数εp/Fn作为沥青混合料高温性能评价参数的有效性。. 针对沥青混合料的变形特性，提出了应力指数和蠕变激活能，讨论了沥青混合料的蠕变机理，分析了不同工程最大粒径的混合料高温性能的差异；从矿料界面微裂纹拓展累积的角度，分析了克服矿料滑移能垒的矿料滑移机理，进而分析了沥青混合料变形机理。