水-荷载耦合作用下沥青混合料低温开裂行为及其细观演化机制研究

The low-temperature cracking behavior of asphalt mixture is one of the hottest issues in the field of international road engineering. However, few studies have been conducted on low-temperature cracking behavior of asphalt mixture under the combined effect of water and load. The main problems are as follows: (1) the mesoscopic characteristics of asphalt mixture in low-temperature under the combined effect of water and load have not been investigated; (2) the evolution mechanisms of low-temperature cracking behavior of asphalt mixture under the combined effect of water and load have not been revealed deeply; (3) the modeling technology of asphalt mixture detailed model containing water and meso-structure should be improved. Focusing on these problems, this project intends to study the low-temperature cracking behavior of asphalt mixture under the combined effect of water and load from macroscopic and mesoscopic scale through indoor tests, numerical simulations and theoretical analysis, thus analyzing the effect of water, fracture failure mode, temperature, material macro-composition and material meso-structure. The relationship between the evolution law of mesoscopic characteristics (internal contact forces and mesoscopic cracks) and the deterioration of macroscopic properties of asphalt mixture will be revealed. The distribution function of internal contact forces evolving with the low-temperature cracking behavior of asphalt mixture will be investigated to reveal the mesoscopic evolution mechanisms of low-temperature cracking behavior of asphalt mixture under the combined effect of water and load. The research results can be helpful to the understanding of low-temperature characteristics of asphalt mixture and improve the theory and practice of crack resistance of materials and structures.

沥青混合料低温开裂行为是国际道路工程领域的研究热点之一，但考虑水-荷载耦合作用的相关工作却较少，主要不足表现为：(1)未从细观层面分析水-荷载耦合作用下沥青混合料的低温开裂行为；(2)未深入揭示水-荷载耦合作用下沥青混合料低温开裂行为的演化机制；(3)考虑水分和细观结构的沥青混合料精细化模型的建模技术有待提高。鉴于此，本项目拟采用室内试验、数值模拟和理论分析相结合的方法，从宏观和细观两个层面研究水-荷载耦合作用下沥青混合料的低温开裂行为，分析水分、断裂失效模式、温度、材料宏观组成、材料细观结构等因素对其的影响，揭示沥青混合料内接触力、微裂缝等细观特性演化规律与材料宏观性能劣化的关系，提出随沥青混合料低温开裂行为演化的内接触力分布函数，阐释水-荷载耦合作用下沥青混合料低温开裂行为的细观演化机制。研究成果有助于深入理解和准确把握沥青混合料低温开裂的本质科学问题，完善材料与结构抗裂性理论和实践。

沥青混合料低温开裂行为是国际道路工程领域的研究热点之一，但涉及水-荷载耦合作用的相关工作却较少，主要不足表现为：（1）未从细观尺度分析水-荷载耦合作用下的沥青混合料低温开裂行为；（2）未揭示水-荷载耦合作用下沥青混合料低温开裂行为的演化机制；（3）考虑水分和细观结构的沥青混合料精细化模型的建模技术有待提高。鉴于此，本研究分析了沥青混合料在低温条件下的吸水率特性，提出了相应的评价指标，建立了水-荷载耦合作用下的沥青混合料半圆弯曲（SCB）室内试验方法，在此基础上，揭示了断裂失效模式（I型、II型、I&II混合型）、温度（-15℃、-6℃和10℃）、含水率（0%、25%、50%、75%和100%）对沥青混合料断裂韧性、开裂时间和裂缝分布的影响；进而，基于离散单元法（DEM）提出了能表征水-细观结构的沥青混合料低温开裂数值试验方法，并验证了其可靠性，并以此研究了空隙特征（空隙率、空隙大小和空隙分布）和集料特征（扁平率、集料主轴朝向、集料含量和集料分布）等对沥青混合料低温开裂行为（断裂性能和裂缝扩展过程）的影响，揭示了沥青混合料低温裂缝扩展行为；最后，基于贝叶斯方法，建立了考虑水-荷载耦合作用下的沥青混合料低温开裂行为预测模型，从不确定性的角度阐释了其演化机制。研究成果有助于深入理解和准确把握沥青混合料低温特性的本质科学问题，完善材料与结构抗裂性的理论和实践。