荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用下沥青混合料疲劳损伤机理研究

In the area of saline soil, early damage of asphalt pavement is serious under the action of load and sulfate corrosion, so that its service life far less than the design life. At present, the research on fatigue damage mechanism of asphalt mixture subjected to load and sulfate corrosion is seldom reported. And the damage analysis and prediction model fail to reflect the nature work of asphalt mixture without considering the sulfate corrosion. The project studies the mechanical properties attenuation law of asphalt mixture and presents fatigue damage evaluation index under the load and sulfate corrosion, based on the coupling action test of load and sulfate corrosion. Using modern phase analysis technique and finite element analysis , the project studies the sulfate solution migration and sulfate crystallization expansion rule in asphalt mixture. Based on the theory of damage mechanics, fatigue damage constitutive model of asphalt mixture is established under the action of load and sulfate corrosion. Fatigue damage evolution process of asphalt mixture with different test parameters are simulated under the action of load and sulfate corrosion, and fatigue damage evolution equation of asphalt mixture is established. Research results from the damage mechanics angle reveal the fatigue failure behavior of asphalt mixture under the action of load and sulfate corrosion, and it provides the important theoretical basis for structure design and life prediction of asphalt mixture in the area of saline soil.

盐渍土地区，沥青路面在交通荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用下早期损坏严重，使得其服务寿命远达不到设计年限。目前，对荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用下沥青混合料疲劳损伤的研究尚未多见，已有未考虑硫酸盐腐蚀作用的沥青混合料损伤分析与疲劳预估模型，未能真实反映沥青混合料的工作本质。本项目采用自行研制的荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用试验装置，分析沥青混合料力学性能衰减规律，提出荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用下沥青混合料疲劳损伤评价指标；利用物相分析技术与数值模拟，研究荷载作用下硫酸盐溶液在沥青混合料孔隙中的迁移规律及硫酸盐结晶膨胀规律；基于损伤力学理论，建立荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用下沥青混合料疲劳损伤本构模型，数值模拟不同试验参数下沥青混合料疲劳损伤演化过程，建立沥青混合料的疲劳损伤演化方程。研究成果从损伤力学的角度揭示荷载与腐蚀耦合作用下沥青混合料的疲劳破坏行为，可为盐渍土地区沥青路面的寿命预估与结构设计提供重要理论依据。

盐渍土地区，沥青路面在交通荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用下早期损坏严重，使得其服务寿命远达不到设计年限。目前，已有未考虑硫酸盐腐蚀作用的沥青混合料损伤分析与疲劳预估模型，未能真实反映沥青混合料的工作本质。本项目采用研发的荷载-硫酸盐腐蚀耦合作用疲劳试验结合理论分析，研究了硫酸盐腐蚀作用下沥青混合料路用性能和力学性能衰减特性、荷载-硫酸盐腐蚀耦合作用下沥青混合料疲劳损伤特性、硫酸盐在沥青混合料孔隙中迁移与膨胀规律、荷载-硫酸盐腐蚀耦合作用下沥青混合料疲劳寿命预估模型。研究发现：硫酸盐腐蚀作用显著降低了沥青混合料的路用性能和力学强度，10%盐溶液腐蚀180天其高温性能、低温性能、水稳性能和力学强度分别降低了69.9%、57.9%、30.9%和44.1%，且随着盐浓度、空隙率的增大其路用性能与力学强度显著下降。提出了采用疲劳腐蚀因子评价荷载-硫酸盐腐蚀耦合作用下沥青混合料疲劳损伤，60%应力腐蚀180天，5%、10%盐浓度下疲劳腐蚀因子分别下降了0.355、0.417；4%、5%和5.8%空隙率下疲劳腐蚀因子分别降低了0.299、0.355和0.439；20%、40%及60%应力下疲劳腐蚀因子分别降低了0.442、0.466和0.531；确定了影响因素灰色关联度，盐浓度>腐蚀天数>空隙率>应力水平；并基于L-M法建立了荷载-硫酸盐腐蚀耦合作用下沥青混合料疲劳损伤预测模型。建立了硫酸盐离子对沥青混合料试件的一维腐蚀体系，腐蚀180天硫酸根离子含量在5mm深度处骤降，且高盐浓度和高空隙率条件下离子含量显著偏高；探明了荷载作用下硫酸盐溶液在沥青混合料孔隙中的迁移规律，建立了沥青混合料内部离子迁移模型和随腐蚀龄期变化的硫酸盐结晶压预估模型。提出了以PW≥RB作为沥青混合料发生疲劳破坏的临界条件，基于Origin软件拟合，建立了荷载-硫酸盐腐蚀作用下沥青混合料疲劳寿命预测方程。研究成果从损伤力学的角度揭示了在荷载-腐蚀耦合作用下沥青混合料的疲劳破坏行为，为盐渍土地区沥青路面的寿命预估与结构设计提供了重要理论依据。