基于R-曲线理论的沥青混凝土中间温度断裂特性研究

As non-linear viscoelastic material, asphalt concrete behaves significant creep characterization at intermediate temperature, but current design system of fracture resistance for this material does not involve time-dependent fracture mechanics. R-Curve method is widely applied in fracture analysis for a vast range of materials but asphalt concrete area. This research will focus on the time-dependent fracture analysis of asphalt concrete based on R-Curve method. As a component of R-Curve, crack extension shows the complexities included discontinuity, jumping, branching, and arresting. This research will establish a new quantitative of crack extension to reflect those complexities. To research the non-linear viscoelastic property of asphalt concrete, this project will study the general J-integral, analyze the creep zone and its energy dissipation, construct the Jv-R Curve and study its influencing factors. Further, this project will study the characterization of Jv-R Curve, extract the indexes of time-dependent fracture property, and apply time-temperature superposition onto those indexes to construct master curves. Finally, Jv-R Curve method will be established to evaluate the creep fracture resistance of asphalt concrete at intermediate temperature. Jv-R Curve method will also be utilized to predict crack initiation and propagation. This method will provide with theoretical basis to guide the fracture resistance design of asphalt concrete at intermediate temperature.

作为非线性黏弹性材料，沥青混凝土中间温度的断裂具有明显的蠕变特征。当前沥青混凝土路面抗裂设计体系对中间温度抗裂性能及其黏弹性特征缺乏考虑。R-曲线理论在众多材料领域的断裂分析中被广泛研究，而沥青混凝土领域对R-曲线理论却鲜有涉及。本项目使用R-曲线方法研究沥青混凝土中间温度的断裂问题。针对沥青混凝土裂缝扩展过程中的不连续、跳跃、分支、停滞等复杂特性，用数字图像相关技术研究新的裂缝扩展量化指标体系以准确构建R-曲线。深入研究沥青混凝土中间温度断裂问题的黏弹性指标广义Jv积分，分析断裂过程中裂缝尖端的蠕变区域及其能量耗散，建立沥青混凝土的Jv-R曲线并研究其影响因素。从Jv-R曲线中提取表征蠕变断裂特征的关键力学指标, 研究其温时效应并构建其特征主曲线。最终建立Jv-R曲线方法评价沥青混凝土中间温度的抗裂性能，预测裂缝的启裂和扩展，为中间温度沥青混凝土路面的抗裂设计指导提供理论依据。

作为非线性黏弹性材料，沥青混凝土中间温度的断裂具有明显的蠕变特征。当前抗裂设计体系对沥青混凝土中间温度抗裂性能及其黏弹性特征缺乏考虑。R-曲线理论在众多材料领域的断裂分析中被广泛研究，而沥青混凝土领域对R-曲线理论却鲜有涉及。本项目使用R-曲线方法研究沥青混凝土中间温度的断裂问题。项目使用半圆弯曲断裂试验SCB断裂试验结合数字图像分析，提出了使用R曲线理论评价沥青混凝土中间温度抗裂性能的方法，研究了沥青混凝土裂缝扩展的特征，分析了沥青混凝土中间温度断裂的能量耗散特征，研究了沥青混凝土R曲线的影响因素。研究建立了使用数字图像相关（DIC）的方法分析沥青混凝土中间温度断裂试验的试件表面位移场。并使用数字图像分析建立了断裂试验中裂缝扩展的量化方法。针对沥青混凝土裂缝扩展的不连续、跳跃、分支、停滞等复杂特性，使用数字图像相关技术研究了裂缝扩展量化指标。通过对SCB试件表面位移场分析，提出了使用裂缝开口位移矩阵代替裂缝长度来量化沥青混凝土裂缝的方法。开口位移矩阵包括了裂缝启裂和扩展，为构建R-曲线提供了新的分析思路。传统的R曲线方法均使用裂缝长度作为裂缝量化指标。裂缝在开口张开方向上的扩展量化很少有研究涉及。本项目提出的使用开口位移举证的方法量化裂缝发展，填补了这一领域的空缺。深入研究了沥青混凝土中间温度断裂问题的非弹性非线性指标J积分，建立了基于数字图像分析的裂缝长度量化方法，进一步建立了J积分的单试件测量方法，提高了J积分测量的准确性。研究分析断裂过程中裂缝尖端的蠕变区域及其能量耗散，建立了基于SCB断裂试验的R曲线构建方法，并深入研究了沥青混凝土R曲线特征。补充了对沥青砂浆断裂的SCB试验研究，进一步分析了SCB断裂试验中伴随的蠕变能耗散问题，研究了老化及沥青膜厚度对断裂指标的影响。最终，本项目建立了R曲线方法评价沥青混凝土中间温度的抗裂特性，为沥青混凝土中间温度的抗裂设计指导提供理论支持。