内蒙古西部环境及荷载作用下温拌胶粉改性沥青细观断裂行为研究

Warm mix crumb rubber modified asphalt have an important meaning for energy conservation, environment protection, waste materials utilization and pavement quality improvement. The anti-cracking ability of asphalt is a key factor which affects the pavement crack resistance ability. This project aims at the crack of bituminous pavement under freezing-thawing cycle, deicing salt erosion，light oxygen compound aging and load in west Inner Mongolia. The asphalt is studied on the basis of polymer chemistry and mesomechanics theory. The chemical composition characteristics of asphalt under environment and load is analyzed. The microstructure feature, cohesive characteristics, micro-hardness and modulus change rule of asphalt is explored based on scanning electron microscope, atomic force microscope and nanoindentation tests. The digital image correlation method is used to measure the strain distribution of asphalt in the process of crack emerge,expansion and fracture as well as bond degradation. The microscopic damage degree is described and the damage equation of asphalt is established based on the changing of strain and stress. It analyzes the bond degradation and fracture performances on the basis of the mesoscopic mechanical properties and the microstructure feature of asphalt. In addition, it explores the correlation between the bond degradation, fracture and damage of microstructure, and tries to find out the bond degradation and fracture mechanism of asphalt. The project has local perspectives, and in the meantime, it has importance in deeper understanding the warm mix crumb rubber modified asphalt mechanical behaviors on both macro and micro scope，as well as research methods.

温拌胶粉改性沥青对于节能环保、废物利用及提高路面质量具有重要意义。沥青的抗裂性能是影响路面抗裂性的重要因素。本项目针对内蒙古西部地区温拌胶粉改性沥青路面在冻融循环、除冰盐侵蚀、光氧复合老化等环境因素及荷载作用下的开裂问题，基于化学分析和细观力学原理，以沥青为研究对象，通过化学分析研究环境及荷载作用下沥青的化学组成特性；通过扫描电镜、原子力显微镜和纳米压痕实验研究沥青细观结构特征、粘附特性和微观硬度及模量变化；通过数字图像相关方法测量沥青裂纹萌生、扩展及断裂粘结退化过程中应变分布规律，基于应变、应力变化描述沥青细观损伤程度，建立沥青粘结损伤演化方程；基于沥青细观力学性能和细观结构特征研究沥青粘结退化、断裂特性，探索沥青细观结构损伤与粘结退化、断裂行为间相关关系，揭示温拌胶粉改性沥青粘结退化、断裂机理。该项目既有地区特点，同时对于深入了解温拌胶粉改性沥青宏细观力学行为和研究方法具有重要意义。

本项目对于废旧轮胎的环保利用和提高路面质量具有重要意义。针对内蒙古西部地区温拌胶粉改性沥青路面在冻融循环、除冰盐侵蚀、光氧复合老化等环境因素及荷载作用下的开裂问题，通过红外光谱分析方法对不同老化条件下温拌胶粉改性沥青的官能团进行分析，得到沥青化学组成、分子结构特性的变化规律及温拌类型、沥青改性剂及环境条件对温拌胶粉改性沥青化学组成、分子结构的影响。采用原子力显微镜（AFM）从细观角度分析了不同老化、冻融循环作用下温拌胶粉改性沥青表面形貌、细观结构及微裂纹发展的规律；通过接触角测量，得到不同环境条件下温拌胶粉改性沥青及骨料的表面自由能以及沥青与骨料间的粘结力，分析了不同老化、冻融循环作用对沥青与骨料间粘附性能的影响规律；将数字散斑相关技术（DIC）细观实验力学方法用于不同老化、冻融循环作用前后温拌胶粉改性沥青胶浆、砂浆及混合料的界面力学特性研究，得到沥青胶浆、砂浆以及沥青与与骨料界面裂纹产生、扩展、脱粘规律以及裂纹扩展速率、裂尖应力强度因子及能量释放率变化规律，提出沥青胶浆、砂浆及混合料粘结失效的细观力学机理；基于宏细观力学相结合的方法，分析了不同环境条件下温拌胶粉改性沥青及混合料细观结构及其力学特征与沥青混合料宏观力学行为之间的联系，从细观力学角度揭示了内蒙古西部环境及荷载作用下温拌胶粉改性沥青及混合料断裂的细观力学机理。本项目针对内蒙古西部气候环境及荷载作用下温拌胶粉改性沥青及混合料粘结退化、断裂特性开裂问题，研究了沥青粘结退化与细观结构损伤之间的相关性，揭示了内蒙古西部气候环境及荷载作用下温拌胶粉改性沥青及混合料粘结退化、断裂失效机理。研究成果研究结果对于内蒙古地区绿色环保沥青混合料的设计和工程应用有重要的科学意义和实用价值。研究成果已在内蒙古多条高速公路中应用，获得了良好的社会经济和环保效益。