（道路与铁道工程专业论文）沥青混凝土路面细观结构和水破坏研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 本文从细观角度出发将沥青混凝土视为集料、沥青基质和孔隙组成的三 相复合材料，通过对沥青混凝土水破坏的宏细观试验，对沥青混凝土水破坏 进行了研究。在此基础上实现了沥青混凝土材料细观结构的建模，并对其水 破坏过程进行数值模拟。 通过定量_ 分析沥青混合料内部结构的变化更好地掌握了水破坏机理。比 较试件无水与饱水状态下的疲劳破坏现象：在宏观裂隙上无水为劈裂，饱水 为剪裂；在细观结构上，无水疲劳破坏过程中沥青基质面积稍有增加，而饱 水疲劳的沥青基质面积明显减小。反映出水破坏过程中沥青从集料上剥落的 过程，即从细观层面上反映出了沥青混凝土水破坏机理。且试件裂纹的演化、 发展与其初始空隙分布和集料的长轴取向密切相关。同时在试验过程中采用 超声波技术进行沥青混凝土的探伤研究。获取沥青混合料在载荷作用和环境 影响后的损伤与声速变化之间的关系，用试件断面孔隙率变化来表征沥青混 凝土的损伤，试验结果表明沥青混凝土损伤与超声波速降低之间具有较好的 指数关系；并采用超声波技术检测沥青混凝土裂缝深度，为定量评价路面早 期损坏程度提供了依据。 本文还采用分形理论对混合料内部结构的复杂程度进行了量化，即沥青 混合料断面c t 图像不同的分形维数反映出断面的复杂程度不同。采用细观 结构分维值和孔隙率变化作为研究细观缺陷演化的定量指标，对沥青混合料 疲劳损伤演化过程进行了研究，并得出相应的损伤演化方程。 在试验研究的基础上，本文提出了一种考虑沥青混凝土材料真实细观结 构的二维数值分析方法，研究沥青混合料在单轴压缩下的破坏过程，模拟了 沥青混凝土材料从裂纹的萌生、扩展、贯通直到宏观裂纹产生导致破坏的过 程，模拟结果与c t 试验结果进行了对比分析，取得较好的模拟效果，表明 建立的细观模型可应用于该材料的力学性能和破坏过程研究。在考虑孔隙水 压力后的水破坏数值模拟结果表明，沥青混合料内部裂纹的扩展不仅与细观 结构有关，还受到孔隙水压力的影响。饱水状态下沥青混合料内部形成的裂 缝过程区比无水状态下形成的裂缝长且发育得较宽，反映有水的条件下试件 更易发生破坏，因而疲劳寿命大大缩短。在二维细观模型的基础上，进一步 武汉理：| _ = 大学博士学位论文 建立了沥青混凝土三维细观模型对沥青混凝土材料进行单轴压缩条件下的 数值模拟，得到沥青混凝土中破坏单元的大致位置和分布规律；并分析和计 算沥青混凝土中应力随弹性模量和级配的变化规律：通过数值模拟分析得到 了沥青基质、骨料和水三者的相互作用对沥青混凝土中应力分布的影响。本 文为更好地研究沥青混凝土内部不均匀性引起的力学行为提供了新的思路 和方法。 关键词：沥青混凝土，水破坏，c t 扫描技术，细观结构，数值模拟 武汉理工大学博士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o n ，g r e a ta t t e n t i o nh a s b e e np a i dt ot h er e s e a r c ho fa s p h a l tp a v e m e n tt e c h n o l o g y t h ew a t e rd a m a g e i s s u eh a sa l w a y sb e e nt h ef o c u si ng l o b a l i nt h ep a p e r ，a s p h a l tc o n c r e t ei st a k e n a st h r e e p h a s ec o m p o s i t e sc o n s i s t i n go fa g g r e g a t e ，m a s t i ca s p h a l ta n dv o i db a s e d o nm e s o m e c h a n i c s c o m b i n ew i t hi m a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g y ，t h ew a t e r d a m a g eo fa s p h a l tc o n c r e t ei ss t u d i e dt h r o u g hm a c r o - t e s ta n dm e s o t e s tm e t h o d a n dt h e n ，t h em o d e lo fm e s o - m e c h a n i c sd a m a g eo fa s p h a l tc o n c r e t ei sp r e s e n t e d b a s e do nm e s o s t r u c t u r ei m a g e s n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw a t e rd a m a g eo f a s p h a l tc o n c r e t ei sf i n i s h e d t h em a c r o s c o p i c a l l ym e c h a n i s mo fw a t e rd a m a g ei sm o r ec l e a r l yg r a s p e d b yt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ei n t e r n a ls t r u c t u r e a c c o r d i n gt oc ti m a g e p r o c e s s i n gr e s u l t ，i n t e r n a ls t r u c t u r ec h a n g et e n d e n c yo ft h et e s ts p e c i m e n s i s a n a l y z e di nt h ep r o c e s so fw i t h o u tw a t e ra n ds a t u r a t i o nw a t e rf a t i g u et e s t i n go f a s p h a l tc o n c r e t e t h ed i s t i n g u i s ho ft h e s a t u r a t i o nw a t e ra n dw i t h o u tw a t e r f a t i g u et e s t i n g ：t h em a c r o s c o p i c a l l yc r a c ks h a p eo fs a t u r a t i o nw a t e ri s as h e a r d a m a g e ，a n o t h e rc r a c ko fw i t h o u tw a t e ri ss p l i r i n gd a m a g e ；t h ed i f f e r e n c eo n t h em e s o - s t r u c t u r el i e si n ：t h ea r e ao fm a s t i ca s p h a l ti n c r e a s e su n d e rw i t h o u t w a t e rf a t i g u e t e s t i n g ，t h e a r e ao fm a s t i ca s p h a l to b v i o u s l yr e d u c eu n d e r s a t u r a t i o nw a t e rf a t i g u et e s t i n g t h er e s u l th a dr e f l e c t e dt h et e s ts p e c i m e n st h e m e c h a n i s mo fw a t e rd a m a g ei nt h es a t u r a t i o nw a t e rf a t i g u et e s t i n g ，n a m e l yt h e a s p h a l tc o n c r e t ec o h e s i o nd a m a g e ( a s p h a l tf i l mr a v e l i n g ，a g g r e g a t ee x p o s e da r e a i n c r e a s e dg r a d u a l l y ) a n dc r a c ko ft e s ts p e c i m e n se v o l u t i o n 、d e v e l o p m e n th a v e c o r r e l a t ew i t hi n i t i a lv o i dd i s t r i b u t i o na n dm a j o ra x i so r i e n t a t i o no fa g g r e g a t e a tt h es a m et i m e ，t h ed a m a g eo fa s p h a l tc o n c r e t ei se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e db y u l t r a s o n i ct e c h n o l o g y t h eu l t r a s o n i cv e l o c i t yo ft e s ts p e c i m e n si sm e a s u r e d b e f o r ea n da f t e rf a t i g u ee x p e r i m e n t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed a m a g ea n d t h ed e s c e n to fu l t r a s o n i cv e l o c i t yi se s t a b l i s h e db yd a m a g ep a r a m e t e ri sd e f i n e d a c c o r d i n g t o e x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ed a m a g ep a r a m e t e r i sf o u n dt ob ei n i i i 武汉理工大学博士学位论文 e x p o n e n td e p e n d e n c er e l a t i o n s h i pw i t ht h ed e s c e n to fu l t r a s o n i cv e l o c i t y c r a c k d e p t ho fa s p h a l tc o n c r e t ei so b t a i n e db yu l t r a s o n i ci n s p e c t i o nt e c h n o l o g yt o o u l t r a s o n i ci n s p e c t i o nb e i n ga ni m p o r t a n tn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o nm e t h o d ，i ti s c o n v e n i e n ta n d a p p l i c a b l e t oe s t i m a t i o no f a s p h a l t c o n c r e t e d a m a g e i n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e m e s o s t r u c t u r ei m a g e so faa s p h a l tm i x t u r eu n d e rv a r i o u sf a t i g u el e v e l sa r e i n v e s t i g a t e db yu s i n gc t ( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h ) s c a n n i n g i n f a t i g u e e x p e r i m e n t t h ef r a c t a ld i m e n s i o n so ft h e s em e s o s t r u c t u r ei m a g e sa r ee s t i m a t e d b yi m a g et r e a t m e n ta n df r a c t a lt h e o r y o nt h eb a s i so ft h ef r a c t a ld i m e n s i o no f m e s o - s t r u c t u r e ，t h ee v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm e s o s t r u c t u r ea r eq u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e d i ti ss h o w nt h a tt h ev a l u eo ff r a c t a ld i m e n s i o n s ，d e r i v e db yt h ec t i m a g e ，i n c r e a s e sw i t ht h ee v o l u t i o no ft h ed a m a g ei na s p h a l tm i x t u r e i th a s s u g g e s t e dt h a tt h ef r a c t a ld i m e n s i o n sd e f i n e di nt h ep a p e rc a nb eu s e da s e v o l u t i o np a r a m e t e ro fd a m a g ei na s p h a l tm i x t u r e t h ee q u a t i o no fd a m a g e e v o l u t i o ni so b t a i n e db a s e do nt h ec h a n g eo ff r a c t a ld i m e n s i o na n dv o i dr a t i oi s q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d a tl a s t ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa s p h a l tc o n c r e t ei sf i n i s h e d t h e t w o d i m e n s i o n a lm a t hm o d e li se s t a b l i s h e df o rs i m u l a t i n gt h et h em e s o s c o p i c s t r c t u r eo fa s p h a l tc o n c r e t eb a s e do nc ti m a g e si nf a t i g u ee x p e r i m e n to f a s p h a l t c o n c r e t e t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n df a i l u r ep r o c e s so fa s p h a l tc o n c r e t ei s s t u d i e d ，t h ef a i l u r ep r o c e s sc a u s e db yt h ei n i t i a t i o n ，p r o p a g a t i o na n dc o a l e s c e n c e o fc r a c k si s s i m u l a t e d ，a n dt h e r e s u l t so fn u m e r i e a ls i m u l a t i o na n dc t e x p e r i m e n ti sc o m p a r e da n da n a l y z e d t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s h o w e dt h a tt h em o d e li sv a l i da n dt h em e t h o di sw o r k a b l e w h e nv o i dw a t e r p r e s s u r ei sc o n s i d e r e di nt h em o d e lo fm e s o m e c h a n i c s ，t h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns h o w e dt h a tc r a c ka r e ab e c o m eb i g g e ra n dl o n g e r i ti sr e f l e c t e dt h a t d a m a g ei se a s yt oo c c u ru n d e rs a t u r a t i o nw a t e rc o n d i t i o n s ，s of a t i g u el i f eo f a s p h a l tc o n c r e t ei ss h o r t e n e d af u r t h e rs t u d yo ne s t a b l i s h i n gt h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e lo fa s p h a l tc o n c r e t eo nt h em e s o l e v e li sc a r r i e do u tb a s e do nt h e t w o d i m e n s i o n a lm o d e l t h ed a m a g eo fa s p h a l tc o n c r e t eu n d e ru n i a x i a l c o m p r e s s i v e c o n d i t i o ni sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b y t h et h r e e d i m e n s i o n a l n u m e r i c a lm o d e l ，t h el o c a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fd a m a g eu n i ti so b t a i n e d t h e r e s u l ta c c o r dw i t ht e s tp h e n o m e n o n a n dt h e n ，t h ec h a n g er e g u l a t i o no fa s p h a l t i v 武汉理工大学博士学位论文 c o n c r e t es t r e s si sc a l c u l a t e da n da n a l y z e dw i t hc h a n g eo fe l a s t i c i t ym o d u l ea n d g r a d i n go fa g g r e g a t e t h ei n f l u e n c eo fm a s t i ca s p h a l t ，a g g r e g a t ea n dv o i dw a t e r i sd i s c u s s e db y3 - dm a t hm o d e l t h e r e f o r ea ne c o n o m i c a la n dn e ww a yi s p r e s e n t e df o rr e s e a r c ho fa s p h a l tc o n c r e t em e c h a n i c sp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a s p h a l tc o n c r e t e ，t h ew a t e rd a m a g e ，c t ( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h ) t e c h n o l o g y , m e s o - s t r u c t u r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：查茎!日期：2 q q ：2 ：2 q 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存论文。 巡日期：2 q 坠丝q 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 沥青路面水破坏现象 近年来，我国的公路建设发展迅猛，1 9 9 9 年全国高速公路通车里程突 破1 万公里，2 0 0 2 年突破2 万公里，2 0 0 4 年达到3 4 2 万公里，到2 0 0 5 年 年底，突破4 万公里，居世界第二。随着高等级公路建设里程的不断增加， 混凝土路面暴露出来的行车不平稳及不易维修的弊端，对高质量的沥青路面 的需求量呈上升趋势。由于国民经济的发展带来交通量迅速膨胀、车辆大型 化、渠化交通以及我国南北冬夏温差大，气候多变等因素，全国各地都不同 程度地存在着路面过早损坏问题。其中，高速公路沥青路面早期破损问题， 已成为影响我国公路健康发展的突出矛盾。交通部曾于1 9 9 8 年开展高速公 路的调研，指出“1 9 9 7 年底前建成的高速公路，使用一年以上的路面都产 生了程度不同的水破坏，破坏速度很快，性质十分严重，是路基路面的主要 破坏因素”j 。所谓沥青路面水破坏，主要是指渗透入沥青路面的自由水份 在温度变化及车载负荷的作用下，逐步浸入沥青与集料的界面上，导致沥青 膜从集料表面剥离以及集料之间的粘结力丧失而发生路面破坏的过程。沥青 路面水破坏具体有以下的几种现象： 1 表面产生坑洞。降雨过程中雨水会进入并滞留在表面层沥青混凝土 的孔隙中。在大量快速行车的作用下，多次产生的孔隙水压力使沥青从碎石 表面剥落下来，局部沥青混凝土变松散，碎石被车轮甩出，路面产生坑洞。 无论表面层沥青混凝土是密实式的还是半开式的，都会产生这类水破坏。通 常用半开式( i i 型) 沥青混凝土作表面层时，产生的水破坏较为严重。 2 表面层和中面层同时产生坑洞以及局部表面产生网裂和形变。当表 面层和中面层都是空隙率较大的半开级配沥青混凝土，而底面层为空隙率较 小的密实沥青混凝土时，降水过程中，如自由水渗入并滞留在表面层和中面 层内，大量快速行车使此两层内沥青混凝土中部分碎石上的沥青剥落，导致 表面产生网裂、形变( 下陷) 和向外侧推挤，或产生坑洞。 3 唧浆、网裂。水透过沥青面层滞留在半刚性基层顶面，在大量高速 行车作用下自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表层的细料，形成灰色 武汉理工大学博士学位论文 白浆。灰浆又被车压唧，通过各种形状不一和宽窄不一的裂缝反映到路面。 灰浆还可能通过水渗入沥青混凝土的局部小面积或个别通道被压唧到路表 面，在灰浆数量大的情况下，可能立即产生坑洞，在数量小的情况下，可使 路面产生网裂或变形。 4 其它水破坏现象。这一类水破坏现象常表现为严重的辙槽。自由水 侵入沥青面层后，使沥青与碎石的粘结力减弱。在行车载荷的作用下，滞留 在面层下部的水使矿料、特别是粗粒碎石表面裹覆的沥青膜逐渐剥落，使沥 青混凝土的强度逐渐损失，直至完全松散。在行车轮迹下产生压缩形变，甚 至产生剪切形变，轮下松散的沥青混凝土向两侧挤出，使轮迹带下陷，同时 使其两侧鼓起，形成严重的辙槽 2 】。 1 2 沥青路面水破坏的原理机制及其原因 顾名思义，水破坏的发生与水的作用密切相关。外界水穿透涂敷于集料 表面的沥青膜，侵入沥青与集料界面后取而代之是水破坏的最根本原因，而 矿质集料天然的亲水性决定了水破坏的多发性和潜在必然性。 1 2 1 沥青路面水破坏的原理机制 1 2 1 1 水降低沥青和集料之间的粘附力及粘结力 沥青混凝土的水损坏主要是粘附性损坏，即水切入沥青与骨料之间，使 沥青薄膜剥离、骨料裸露而导致损坏。依据极性理论，沥青可以理解为表面 活性物质在非极性碳氢化合物中的溶液。沥青和各集料等经过一定级配形成 混合料之后，粘附于各种石料表面形成吸附层；而水是强极性分子( 含氢键) ， 故更易依附于石料表面。若所用沥青是低极性的，则沥青一石料之间的粘附 基本上是限于简单的物理意义上的吸附，容易为水剥离。沥青路面的设计及 施工是严格按照规范进行的，沥青与各集料之间亦存在合理的级配，尽管如 此，沥青混合料仍会在自由水的作用下，受到一定的影响。一方面，自由水 介入沥青与各集料之间，在高速行驶的车轮作用下形成高压水流，长时间反 复冲刷各集料表面的沥青膜，导致沥青膜过早地脱落：另一方面，由于自由 水的反复侵蚀，沥青面层由底部向顶部，逐渐松散，沥青与各集料之间的粘 结力减弱，结构强度降低。粘附力和粘结力的损失相互影响，共同造成水破 坏。 武汉理工大学博士学位论文 1 2 1 2 路面内部动力水压的冲刷破坏 降落路面的雨水主体部分经路面的横坡和纵坡排走，但亦有相当一部分 通过路面的孔隙、接缝等渗透入路面结构之内。若路基及路面下层为透水性 较低( 渗透系数1 0 一c m s ) 时，渗入路面结构内部的自由水便无法渗出，被迫 形成滞留水，长期浸泡和冲刷基层材料中的结合料，使之形成灰浆而被挤压 出路面，降低了沥青路面的强度及承载力。更为严重的是，滞留水在车辆荷 载及行车速度日益增大的情况下，形成超孔隙水压力，直接对周围的沥青混 合料施加冲刷压力，扩张裂缝及加大表面空隙率，降低沥青路面结构的整体 强度，从而产生各种形式的破坏【3 】。 1 2 2 沥青路面水破坏的原因 沥青路面水破坏的原因一般可以从路面设计因素( 内因) 及外部环境因素 ( 外因) 两个方面来理解。 1 2 2 1 路面设计和施工因素 1 ) 沥青与集料的粘附性不足：沥青与集料的粘附性主要受自身性质的 影响。如沥青与矿料的化学成分；沥青与矿料表面的界面张力；沥青的粘性； 矿料的空隙率：矿料的含水量和含泥量等。研究表明，若粘附性不足4 级以 上，沥青膜容易脱离，造成路面水破坏。 2 ) 沥青混合料级配和空隙率：沥青混合料级配不好空隙率较大时，沥 青面层通透性亦较大，外界水易侵入结构内部；混合料空隙率较小时，外界 水侵入和动压水冲刷程度较轻，有利于提高沥青路面的耐用性。 3 ) 沥青混合料抗水破坏能力不足。 4 ) 沥青混合料离析：拌和过程中的不均匀。材料自身的不均匀是集料 离析的主要原因：还有运输过程造成集料和温度的离析；摊铺过程中的离析； 混合料压实度不均匀等【3 】。 1 2 2 2 外部环境因素 1 ) 排水设施不善：路面排水不畅导致路面积水渗入路面结构内部，又 不能使之渗出，从而破坏、侵蚀路面结构，这是水破坏的主要原因。 2 ) 交通量、车速及载重车辆：近几年来，交通量不断增加，随着高等 级道路的大量修筑，行车速度显著提高，由原来的4 0 k m h 6 0 k m h 达到 8 0 k m h 1 2 0 k m h ，路面积水的动水压力亦增大到原来的4 倍左右，达到 0 5 3 m p a ( t 里论计算值1 。 武汉理工大学博士学位论文 3 ) 温度变化的影响：春季冻融期间的温度在零度左右变化，路面中的 水分不易排除，与重载交通共同作用，路面易产生损害；而在夏季高温作用 下，沥青混凝土强度降低，雨季雨水较多，在路面内部积聚水的冲击下，路 面亦易损坏 3 1 。 1 3 沥青路面水破坏的研究意义和前景 随着沥青路面结构在高等级公路中广泛使用的同时，其耐久性和路面结 构的早期破坏问题也日益突出。调查表明浒多高速公路通车一至两年以后， 甚至不到一年，其沥青面层就产生了大量麻面、松散、掉粒、唧浆、坑洞、 网裂等破坏现象，结构内部剥蚀程度相当严重。这一切都严重削弱了沥青路 面的使用性能，大大缩短了其使用寿命，同时也带来了巨大的经济损失，阻 碍了沥青路面结构及其应用技术的进一步推广。在对路面早期破坏现象广泛 调查的基础上，各国道路科研工作者发现，沥青路面的早期破坏现象或多或 少，或直接或间接的都与水有关，即水的破坏作用是关键因素之一。为此， 加强沥青路面水破坏问题的研究是具有现实意义的 4 - 6 。 目前，国内对于水破坏的研究还主要集中在沥青混合料的宏观行为方面 7 , 8 1 。由于大多数力学模型都是以连续介质理论为基础，将沥青混合料假设 为均质或者分段均质材料，由于与路面实际结构存在较大的差异，因此难以 得出令人满意的结果。数字图像软硬件技术的发展为考察沥青混合料的不均 匀性和细观结构对其力学行为的影响提供了有效的手段。数字图像能够比较 精确地描述沥青混合料的不均匀性和细观结构，结合有限元分析技术，就可 以比较准确地模拟其力学行为。本文的目的就是在宏细观试验研究的基础 上，利用数字图像技术，实现沥青混合料细观结构的几何建模，以便通过有 限元分析进行沥青混凝土水破坏过程的模拟，可以使人们更清楚认识水破坏 机理，为改善沥青混凝土力学性能和水稳定性提供依据，并为沥青混凝土的 数值模拟提供新的研究途径。 高速公路的养护费用是高昂的，以我国某长为1 7 9 公里的高速公路为 例，“十五”期间已执行和预计的年养护费用为2 5 0 0 万元，虽然根据公路运 营年限的不同，养护费用是变动的，以此数据框算，仅2 0 0 2 年前建成的高 速公路，全国每年的养护费用将高达3 5 亿元。按照国家高速公路网规划， 全国将建设8 5 万公里高速公路，如果路面平均使用8 年，那就意味着我国 任何时候都将有1 万公里的高速公路在大修。通过本论文的应用基础研究， 武汉理工大学博士学位论文 较好地掌握高等级公路沥青路面早期水破坏的机理，进一步寻找出合理的防 治方法延缓水破坏的发生，若能使其损害时间延缓一年，其社会和经济效益 都将是十分具大的。更何况沥青路面早期水破坏的普遍性，实际使用情况与 设计有相当的差距，表明我国沥青路面设计和试验规范尚有一定的不足之 处。要对规范的不足进行补正，更需要开展深入的破坏机理研究，寻找与水 破坏现象相对应的简易试验方法。依据“十一五”规划，我国高速公路总里程将 达到8 5 万公里，其中新增里程近5 万公里，因此沥青路面的长期安全经济 运行将对国民经济产生重大影响。针对沥青路面为三相材料的特殊性及水破 坏现象的普遍性，本研究有其理论深度及广阔的工程应用前景。 1 4 沥青路面细观结构和水破坏的国内外研究现状 沥青路面的水破坏情况日益加剧，逐步成为一个全球性的公路路面病害 问题。国外早在上个世纪6 0 年代开始，就非常重视沥青路面水破坏的研究。 世界最具权威的美国公路发展战略研究计划( s t r a t e g i ch i g h w a yr e s e a r c h p r o g r a m ，简称( s h r p ) ) 路面长期使用性能研究专家组( l o n g t e r m p a v e m e n t p e r f o r m a n c ee x p e r tg r o u p ) 和加拿大运输协会( t r a n s p o r t a t i o na s s o c i a t i o no f c a n a d a ) 都曾经对沥青路面水破坏问题进行专题研究。相对而言，国内在水 破坏方面的研究起步较晚。无论是在对水破坏的机理认识，还是在对防治沥 青路面水害的应用性研究方面，其深度、广度都与国外有相当大的差距。关 于水破坏的形成机理、影响因素，评价水破坏的试验方法到水破坏的控制、 防治等各个方面的研究，由于沥青路面水破坏所涉及的因素极其复杂，至今 许多问题都没有得到很好解决。以下就沥青路面水破坏和沥青混凝土材料的 细观结构的研究现状进行分析评述。 1 4 1 沥青路面细观结构和孔隙水压对其破坏影响的研究 国外有大量的文献涉及沥青路面的水破坏问题，并作了有关水对沥青混 合料产生的影响的试验研究。有从微观的角度研究沥青混合料水破坏的，如 采用扫描电镜观察沥青与水相互作用1 9 j 。也有从宏观上讨论超孔隙水的影 响，如对饱水粒料无排水的重复三轴加载试验，讨论了将产生超孔隙水压， 并导致材料弹性模量的降低；也有就面层在交变荷载作用下的超孔隙水压， 会使道路基层的弹性模量减小，从而引起路面损害，并建立了数学模型进行 武汉理工大学博士学位论文 数值分析。讨论冻土融化时，粘土基层的超孔隙水压、含水率对柔性路面承 载能力的影响u0 j ；在试验方面开展了石灰石和砂石两种集料超孑l 隙水压力的 测量j 和多种沥青混凝土面层和孔隙水压和材料稳定性的试验测定【”1 ”。国 内对沥青路面水破坏，从超孔隙水压的方面开展研究的文献未见报导，仅对 孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程进行过有限元数值模拟，讨论了孔隙 水压力对岩石强度、应力应变曲线和破坏模式盼影响。但关于沥青路面材 料的含水疲劳试验、破坏形式，路面孔隙水压对破坏模式和疲劳寿命的影响， 和考虑水的因素的沥青混合料细观损伤数值模拟，国内外均未见报导。 在利用c t 技术进行沥青混合料的内部细观结构研究方面，上世纪9 0 年代初期，美国公路发展战略研究计划( s h r p ) 就开展了利用c t 技术研究混 合料芯样内部结构的工作，认为c t 技术可以更合理、有效地定量分析芯样 内部各组分的真实分布。国内也开展了c t 技术在沥青混合料内部结构分 析、在单轴重复加卸载内部结构分析和岩石的细观结构损伤研究中的应用 0 1 5 q 8 ，文献 1 9 还对沥青混合料破损动态识别进行了研究。但国内外目前关 于沥青混合料内部结构的研究工作主要集中在内部结构的定量或定性分析 上，还没有相关的文献将宏观力学性质与内部结构及环境因素结合起来描述 沥青混合料的破损过程，特别是水破坏过程。 国内有关混凝土微细观损伤断裂的研究较多，开展了混凝土细观结构断 裂的分形分析，基于细观损伤的力学性能数值模拟研究等 “4 】。但对于沥青 混凝土材料进行基于细观损伤的有限元数值模拟未见讨论。国外还作了裂缝 宽度和渗透率对沥青路面水破坏的影响研究、沥青与水的相互作用研究、以 及沥青混合料试件细观损伤的数值模拟研究【2 ” 。但有关利用c t 技术研究 沥青混合料水破坏机理文献国内外都未见报导。 1 4 2 评价沥青混凝土路面水稳定性试验方法的研究 在国外，评价沥青混凝土水稳定性或水敏感性的试验方法很多，一般可 分为两大类。一类是以未经压实的松散沥青混合料为研究对象进行定性的 ( 主观的) 试验，一类是以沥青混合料试件或芯样为研究对象进行定量的试验。 前者通过视觉观察或仪器检查来主观评价裹覆在集料表面的沥青膜剥蚀程 度，并据此作为判定沥青和集料粘附性及混合料水稳定性的依据，这类方法 常见的有水煮法、静态浸水法等。后者则是通过测试试件在浸水条件下的某 些物理力学指标，如马歇尔稳定度、劈裂强度、径向回弹模量等的衰变程度 武汉理工大学博士学位论文 来表征沥青混合料的水稳定性，这类方法包括马歇尔试验、劈裂试验、浸水 抗压试验、德克萨斯承台冻融试验、洛特曼试验、改进的洛特曼试验、 t u n n i c l i f f a n d r o o t 试验、浸水车辙试验等。随着各种评价沥青混合料水稳性 试验方法的出现，关于它们的可靠性、可行性以及评比等方面的研究也在深 入。但是到目前为止，还没有一种试验方法可以得到广泛地认可，因为实验 室与现场毕竟是有区别的。为此，美国s h r p 开发了e c s ( e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n i n gs y s t e m l ，其目的就在于能更好地模拟工程现场，以缩小实验室 与现场之间的差距，从而能有效评价混合料水敏感性。但美国科罗卡多州运 输部在将其与两种常用方法改进的洛特曼试验方法及水煮法进行研究 比较后指出，e c s 的方法与试验过程在其作为常规试验推广之前都需要进一 步改进 2 9 3 2 】。 在我国，交通部颁发的公路工程沥青及沥青混合料试验规程 j t j 0 5 2 2 0 0 0 已有明确规定，针对其强度和水稳定性，应开展沥青混合料的 弯曲试验、劈裂试验和马歇尔稳定度试验。同时还有不少单位进行了沥青路 面芯样的( 无水) 疲劳寿命试验。应该说，通过试验对路面层的空隙率、压 实度和沥青与集料的粘结力进行了评定，其路面设计寿命是可以达到2 0 年 要求的，但我国路面的早期水损坏现象却如此普遍，说明我国现行沥青混合 料技术指标不足以防止水破坏发生，如沪宁路在施工时，严格按照交通部行 业标准公路沥青路面施工技术规范( j t j0 3 2 ) 执行，即：( 1 ) 按水煮法 试验所有的集料与沥青的粘附性都大于4 级；( 2 ) 按马歇尔试验所有的沥青 混合料残留稳定度均大于8 0 ，仍发生了水破坏。因此除了上面论述的一些 原因之外，还有一个原因是规范本身的关于粘附性指标以及混合料残留马歇 尔稳定度的指标，与路面水破坏并没有建立起很好的关系。目前常规试验方 法并不能有效预测沥青路面出现水破坏及其破坏程度。 由于对水破坏机理未作定量分析，故对应增加何种试验也未能提出具体 意见。美国公路战略研究计划( s h r p ) 沥青课题的主要研究成果一s u p e r p a v e ， 产生了一个胶结料规范、一个混合料设计方法和沥青混合料性能评估。 s u p e r p a v e 混合料设计方法中关于沥青混合料水敏感性评价，应用于 a a s h t ot 2 8 3 “压实沥青混合料水破坏试验方法”，并要求间接抗拉强度比 ( t s r ) 8 0 作为沥青混合料水敏感性评价指标。事实上s u p e r p a v e 的指标 是引用了美国在二十世纪八十年代进行的全国公路联合攻关项目( n c h r p ) 的研究成果，因此寻找出评价沥青混合料的水稳定性的新型试验方法是今后 应进一步研究的方向。随着对沥青混合料水稳定性试验研究的深入，国内开 武汉理工大学博士学位论文 始关注各种试验评定方法的合理性，目前国内很多学者就沥青混凝土水稳定 性检验方法做了大量的研究，但是还没有满意的结果，人们还在期待一种能 真正对沥青混凝土配合比设计起到控制作用的水稳定性检验方法，以期有效 预防高等级公路沥青路面出现早期水损坏。 1 4 3 沥青与集料粘附性能的研究 研究沥青与集料的粘附性，国内多是从改善沥青在温度、老化方面的路 用性能着手的，而在集料的性质对沥青与集料之间粘结性能的影响方面研究 较少。对于沥青与集料粘附性的评价，建议以静态水浸法作为评定沥青与集 料粘附性的标准方法，并以剥落率为评定指标将沥青粘附性分为5 个等级。 国外在对集料的性质研究方面，有两种划分方法。一种是根据集料亲水 与否，分为亲水性集料( 如硅质集料) 和非亲水性集料( 如石灰石、白云石) ， 遇水时前者比后者易出现剥离。另一种是根据集料表面呈现出的电性，分为 “阳性”集料( 如石灰石) 和“阴性”集料( 硅质集料) 。同时指出，根据集料的表面 能和集料给予水的p h 值可以预测其抗剥落性能。s h r p 在其研究中则明确指 出，对于水损剥落，矿料表面的天然化学性质比沥青粘结料的性质更具影响 力。在这个基础上将可能提出一种新的粘附理论p ”j 。 常见的粘附理论有以下几种：力学理论( 或机械粘附理论) ，认为沥青 与集料的粘附性主要来源于其间分子力；化学反应理论，认为沥青与集料 的粘附性主要是因为两者接触表面发生的化学反应；表面能理论，其以经 典的润湿理论为基础，认为沥青与集料的粘附性主要由表面能决定；分子 定向理论( 或极性理论) ，认为沥青与集料的粘附性是由沥青中表面活性物质 对集料表面的定向吸附形成的；表面构造理论，认为集料的表面构造是决 定沥青与集料粘附性的主要因素。这几种理论中，表面能理论方面的研究发 展较快。美国得克萨斯a m 大学d r l y t t o n 等人的最新研究成果表明， s f e ( s u r f a c ef r e ee n e r g y ) 能够较好地用来表征混合料的粘附性能，根据它来 预测沥青的剥落是可行的。自由表面能可以用u s d ( u n i v e r s a ls o r p t i o nd e v i c e ) 按t w p m ( t h ew i l h e l m yp l a t em e t h o d ) 试验方法较准确地测定，且基于表面 能理论的水破坏研究结果同力学试验结果体现了良好的一致性。 对剥落机理的认识，国外一般考虑以下3 个基本影响因素：在浸水条 件下发生在沥青粘结料与集料接触面之间的化学一物理耦合反应；集料表 面的灰尘、粘粒以及水分使其与沥青不能完全粘结；集料表面的纹理特征。 武汉理工大学博士学位论文 同时，指出导致沥青混合料早期剥落的原因主要有：集料内部或表面含水 ( 对吸水性强的集料) ；集料类型( 酸性、碱性)