基于水分扩散行为的沥青-集料界面劣化及力学表征研究

It is of great significance to fully understand the diffusion behavior of moisture in aggregate surface and its deterioration law on asphalt-aggregate interface, so as to reveal the mechanism of moisture damage of asphalt mixture. In this project, macro and micro experiments are carried out to study the transference law of moisture intruding into aggregate, quantify the spatial distribution of moisture on aggregate surface, and analyze the relationship between moisture content and interfacial adhesion. On this basis, a characterization model of deterioration and attenuation of interfacial adhesion is constructed, and a meso-three-dimensional numerical simulation experiment of asphalt mixture considering interfacial effect is carried out by combining digital image and virtual mechanics technology. Finally, a deeper mechanical response and derivative impact analysis are carried out by using the numerical model, which provides a scientific basis for revealing the moisture damage mechanism of asphalt mixture.

充分认识水分在集料表层的扩散行为及其对沥青-集料界面劣化规律，对揭示沥青混合料水损害机理有重要意义。本项目研究拟通过宏、细观实验研究水分侵入集料内部后的迁移规律，量化水分在集料表面的空间分布，分析水分含量与界面黏附性之间的相互关系。在此基础上，构建界面黏附力劣化衰减表征模型，结合数字图像与虚拟力学技术开展考虑界面效应的沥青混合料细观三维数值模拟仿真试验，最后利用该数值模型进行更深层次的力学响应及衍生影响分析，最终为揭示沥青混合料的水损害机理提供科学依据。

路面在车辆荷载的反复作用下，集料发生相对位移和摩擦，刺破或擦破沥青膜，使得从空隙进入沥青混合料的外界水分易通过沥青膜的破裂位置侵入到集料表面，导致沥青与集料间粘附能力失效，沥青混合料发生水损害。因此，深入研究水分侵入过程以及水分对沥青-集料界面强度劣化规律，对提高沥青混合料的抗水损害能力具有重要的科学价值和工程意义。.本项目首先采用全自动综合矿物分析技术（TIMA）和高光谱成像技术相结合的方法准确快速识别了花岗岩和辉绿岩两种路面常用集料的矿物组成，分析集料表面不同矿物成分的分布形态及含量。紧接着，利用分子动力学模拟方法，分析沥青-集料界面在水分侵入前后沥青各组分在集料表面的分布、浓度和扩散以及沥青与集料粘附能力的变化。其次，结合微区X射线荧光光谱技术（µ-XRF）和氯化钠溶液渗透法，追踪水分扩散路径。再次，通过对沥青-集料试件在不同水浴时间下进行拉拔试验，揭示水分侵入沥青-集料界面粘附性能的变化规律。最后，建立包含零厚度内聚力单元的沥青-集料有限元建模，分析沥青老化前后和两种集料在不同条件组合下界面劣化的细观水损规律。.结果表明：采用TIMA和高光谱相结合的方法可以快速准确识别出花岗岩的主要成为石英、云母和长石类矿物，辉绿岩的主要成分为钠长石、正长石和斜方辉石类矿物；水环境下，沥青-方解石界面的剥离能绝对值大于沥青-钠长石界面的剥离能绝对值，所以沥青-方解石界面的抗水损害能力强于沥青-钠长石界面的抗水损害能力；随着扩散时间的增加，扩散路径逐渐加深，水分易附着在黑云母这种矿物上，也容易在粗糙凹槽处聚集；随着水浴时间的增加，沥青-集料界面的破坏形态由粘聚破坏向粘附破坏过渡；当水分扩散时间逐渐增加时，辉绿岩与沥青的粘结性能显著优于花岗岩与沥青的粘结性能。本项目的研究成果可为深入理解水分侵入沥青-集料界面导致界面劣化机理奠定基础，也为如何有效提高沥青-集料界面的抗水损害能力提供重要依据。