疲劳荷载与路表瞬态动水耦合作用下路面水泥混凝土多尺度损伤研究

Cement concrete pavement expose to nature, and the multi-scale fatigue damage under loading, hydrodynamic pressure and temperature cycling repeatedly makes its lifetime cannot meet design life. Currently, there are many research on the pavement fatigue performance under loading and temperature changing, but few researches analyses the pavement fatigue performance under the instantaneous dynamic water pressure and loading cycling. An equipment which can upload hydrodynamic pressure and fatigue loading in the same time was developed by our team. Based on the equipment, the project examination the law of the pavement macroscopic physical, mechanical properties and microstructural change under different levels of hydrodynamic pressure and loading cycling. By the Inhomogeneous material damage mechanics, multiple media penetration, migration theory and elastoplastic coupling theory and the modern analytical techniques, analyzing the evolution of pavement structure damage and recognition the damage state, researching the mechanics constitutive model in strain space, exploring the pavement damage mechanism under hydrodynamic pressure and loading, establishing correlations between pavement structure and macroscopic properties, predict the lifetime of pavement. The research will provide the rationale and technology for pavement design, construction and maintain.

路面混凝土裸露在大自然中，交通荷载、动水压力及温度升降的耦合作用致使其发生多尺度疲劳损伤，其寿命达不到设计要求，但目前的研究多集中在荷载及温度的疲劳作用，对路表瞬态动水压力与荷载耦合作用下的路面混凝土多尺度疲劳损伤尚未开展研究。本项目拟利用课题组开发的动水压力与荷载疲劳模拟试验装置，对不同水平的动水压力及疲劳荷载耦合作用下路面水泥混凝土的宏观物理力学性能及细观结构变化规律开展研究。以非均匀材料损伤力学、多重介质渗透及迁移学说、弹塑性耦合理论等为理论基础，运用现代材料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，并在应变空间内研究其力学本构模型，探索其在动水压力及荷载耦合作用下的多尺度损伤机理，建立路面水泥混凝土结构与宏观性能的相关性，预测其使用寿命。本项目研究成果可为路面水泥混凝土优化设计、施工和养护提供理论依据和技术支撑，具有重要科学意义。

路面混凝土长期裸露在自然环境中，交通荷载、动水压力及温度升降等耦合作用致使其发生多尺度疲劳损伤，其寿命远达不到设计要求。目前的研究多集中在荷载及温度的疲劳作用，对路表瞬态动水压力与荷载耦合作用下的路面混凝土多尺度疲劳损伤尚未开展研究。本项目通过现场模拟试验，探索了车辆行驶速度对动水压力的影响规律，确立了瞬态动水的应力水平；设计了动态疲劳荷载和瞬态动水压力耦合作用加载试验，通过自行开发耦合加载装置实现了对不同水平动水压力和疲劳荷载耦合作用下路面混凝土的力学性能、抗渗性能损伤规律研究；在疲劳-动水双场耦合的基础上加入盐冻环境，研究了路面混凝土在三场耦合下抗冻性的衰减规律；运用现代材料分析技术及图像处理方法，研究了动荷载-瞬态动水-氯盐侵蚀耦合作用下路面混凝土内部孔结构特征及微裂缝结构的演化规律，根据断裂力学及损伤力学理论，分析了各因素对混凝土内部原始微裂缝及孔结构的劈裂、扩展效应；通过分析路面混凝土在双场耦合下宏观抗滑性能和细观孔结构参数的变化，揭示了路面水泥混凝土从内部微缺陷的物理演变到宏观性能劣化直至破坏的多尺度损伤过程。基于连续力学损伤理论，从细观损伤变量出发，定义了路面混凝土损伤变量，建立了双场耦合作用及盐冻循环综合作用下路面混凝土的损伤预测模型。提出了考虑动态疲劳作用和动水压力作用影响的氯离子扩散修正模型，通过大量路面混凝土抗渗性试验实测数据验证了氯离子扩散修正模型，建立了三场耦合作用下路面混凝土抗渗性寿命预测模型。在此基础上运用COMSOL Multiphsics软件平台建立了动态疲劳荷载-瞬态动水压力耦合作用数值模拟模型，并应用此模型分析了路面混凝土内部水分、应力及应变的变化规律。本项目研究成果可为路面水泥混凝土优化设计、施工和养护提供理论依据和技术支撑，具有重要科学意义。