沥青的老化机理与疲劳性能关系的研究进展

疲劳性能是影响沥青路面长期使用性能的重要因素.长寿命沥青路面概念的提出使沥青路面的耐久性研究,尤其是沥青材料的老化与沥青路面疲劳特性的相互关系引起了广泛的关注.环境因素导致沥青的轻组分挥发、含氧官能团增加,使沥青材料变硬、粘结性降低,更易造成沥青路面的疲劳开裂.沥青的老化影响沥青路面的耐久性,导致沥青路面的使用寿命缩短.沥青路面的抗疲劳性能的研究涉及到沥青的老化、改性剂的选择、沥青的自愈合性能和疲劳性能的测试方法及综合模型的建立等相关因素.本文详细分析了沥青的老化机理与沥青路面的疲劳性能之间的联系,从沥青老化过程中化学组成的变化、沥青老化性能的影响因素、沥青的自愈合性能对老化及疲劳性能的影响、聚合物/纳米材料和复合改性对改性沥青抗老化性能及疲劳性能的改善、沥青及沥青混合料疲劳性能的测试方法以及沥青混合料疲劳损伤模型等方面,对沥青老化与疲劳性能相互关系的相关研究工作进行了综述.分析表明,综合考虑多因素效应来研究沥青路面的抗疲劳性能对提高沥青路面的耐久性非常重要,本文可为延长沥青路面疲劳寿命的理论研究及解决措施提供参考.     

沥青胶结料自愈合研究进展

沥青自愈合是提高沥青路面使用寿命的有效手段之一,文章综合分析了近年来国内外沥青胶结料自愈合机理、实验方法、评价指标和自愈合技术等方面的研究,并指出现有机理模型难以解释温度、间歇时间和老化对沥青胶结料自愈合行为的影响,缺少科学有效的自愈合行为评价方法与指标,使得自愈合技术难以在工程中推广应用。建议综合现有自愈合机理宏微观模型理论,建立多尺度模型解释沥青胶结料的自愈合行为,提出具有普适性的实验方法和评价沥青胶结料自愈合行为的指标,并指出开发新型沥青自愈合增强剂是未来研究的热点。     

加筋沥青路面APA试验及其非线性疲劳损伤分析

应用沥青路面分析仪(APA)对沥青路面结构模拟试件进行多种荷载下的往返轮载疲劳试验,对比研究土工布、玻璃纤维格栅对沥青路面疲劳性能的加筋效果.在此基础上,提出沥青混合料非线性疲劳损伤演化模型,应用基于疲劳损伤力学的非线性有限元方法模拟APA 试验过程,分析了试件应力、变形、疲劳寿命等,并与试验结果对比,论证了所提疲劳损伤演化模型的合理性,指出因加筋材料的桥联效应显著地改善了裂缝穿过筋材后路面的受力变形状况,有效地延长路面的疲劳寿命.同时,基于疲劳损伤分析,进一步验证了Paris 公式可用于描述路面结构的疲劳裂缝稳定发展过程,并获得了有关的参数.     

钢桥面铺装在行车荷载与环境温度共同作用下疲劳损伤分析

用损伤力学原理及方法,从力学近似法角度分析了环境温度和循环车辆荷载共同作用下钢桥面沥青混合料铺装的疲劳损伤特性,推导出疲劳试验复合梁的损伤场、应力和应变场。以长江一大桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装体系复合梁疲劳试验为例,进一步推导出复合梁的疲劳寿命预测公式。实例分析表明,考虑环境温度和车辆荷载共同作用下钢桥面铺装体系的疲劳寿命要小于单一考虑行车荷载的计算结果,二者相差最大可达44%。研究认为温度变化会导致铺装层的劲度不断发生变化,从而直接影响钢桥面沥青混合料铺装的力学行为和疲劳寿命,因此仅考虑交通荷载的作用进行钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳损伤的分析是过于简化的,应予以重视。此外,指出了环氧沥青混凝土铺装具有很好的抗疲劳性能。     

基于非线性疲劳损伤的沥青路面轴载换算

为了建立沥青混合料的非线性疲劳损伤演化方程, 同时为完善沥青路面的轴载换算方法, 首先进行沥青混合料的配合比设计, 确定矿料级配及最佳油石比, 然后从损伤力学基本理论出发, 定义模量衰减为其疲劳损伤参量, 由此推导得到了疲劳损伤方程, 并以此方程对小梁直接拉伸疲劳试验结果进行拟合, 得到了模型参数和损伤随应力比的变化规律, 建立了沥青路面轴载换算新方法。结果表明:沥青混合料的疲劳损伤演化具有明显的非线性, 用Miner线性疲劳损伤理论来描述沥青路面疲劳损伤演化过程不合适, 由此推导得到的轴载换算方法偏不安全, 建立在非线性疲劳损伤演化基础上的轴载换算方法考虑了加载历史和损伤历史的影响。     

刚柔复合式路面沥青层温度疲劳损伤及开裂研究

运用损伤力学、传热学、断裂力学理论和有限元法,分析了沥青层的温度疲劳损伤特性、疲劳寿命、裂缝扩展等。研究结果表明:温度疲劳损伤主要集中在沥青层表面,随着温变次数的增加,沥青层表面的损伤度线性增加;随着沥青层模量与温变幅值的增加,沥青层表面的损伤度不断增加;随着温变次数的增加,沥青层表面的水平拉应力线性减小;随温变幅值的增大,沥青层的疲劳寿命不断减小;基于高温效应的沥青层最小临界厚度为4cm;增加沥青层厚度和减小沥青层模量可以起到延缓沥青层温度裂缝扩展的作用。研究结果对刚柔复合式路面的合理设计和推广应用有重大意义。     

基于分子动力学模拟的寒区新型耐久沥青混合料抗滑机理研究

沥青路面在寒区服役过程中,在行车荷载及温度荷载作用下易产生疲劳病害,严重影响路面结构的路用性能,增大行车风险。故研发了基于石墨烯材料的新型耐久沥青混合料,并采用宏观实验与微观模拟验证了石墨烯可有效地提升沥青抗疲劳性能;并模拟沥青路面在低温服役环境下降水或者水汽结冰后的路表状态,采用动态摩擦系数测试仪对正常及结冰状态下的路表抗滑能力进行测试。结果表明：在一定掺量下,石墨烯沥青混合料可以显著地改善正常状态及结冰状态下的沥青混合料的抗疲劳性能与抗滑能力,且随掺量增大,残留抗滑比随之增大。最后,借助扫描电镜和分子动力学模拟方法从微观角度探索了石墨烯对沥青微观性质的影响,提出了微观尺度下的分子柔度指数,阐明了石墨烯提升沥青抗疲劳性能的微观机理,揭示了沥青抗疲劳性能的微观本质;同时,探索了石墨烯改性沥青混合料抗滑能力提升的机理,即石墨烯增大了沥青内部孔隙率,更大的变形能力造成行车过程中的阻滞力增大,从而提高了路面的抗滑性能。     

沥青混合料低温抗裂性能试验方法研究进展

在寒冷和温差较大的地区,低温开裂是沥青路面病害的主要破坏形式.裂缝的产生影响了路面的完整性、连续性及美观,会导致水通过裂缝渗入路面结构,进而削弱了沥青与骨料之间的粘附力,易诱发其他病害,严重缩短了沥青路面的使用寿命.为评价沥青混合料低温抗裂性能,广大科技工作者探索了多种室内试验和评价方法.但由于沥青混合料是一种多相、多组分、多尺度的黏弹性材料,受力极其复杂.因此不同试验方法的试件尺寸、形状、试验温度、加载速率等对混合料的受力状态影响显著,试验结果存在较大的差异性,导致评价指标和评价标准也各有差异,未形成统一标准,故目前仍没有一种简单有效且公认的方法.目前,根据沥青路面开裂的相关判据及理论基础将现有试验分为:连续体试验、断裂力学试验和声发射试验.连续体试验试件完整、无需再处理,评价多为力学指标;断裂力学试验评价多为能量指标,评价更全面;声发射试验为无损检测技术,可结合宏观试验进行裂缝扩展特性研究.本文结合路面低温开裂的机理,系统归纳了沥青混合料低温抗裂性能试验方法的研究进展,对各种评价方法的优缺点进行评述和对比总结,并结合试验评价难度、试验结果变异性与现场实际受力相关性等方面,探讨了进一步深研的方向,以期为确定科学合理、客观真实、系统全面的沥青混合料低温抗裂性能试验与评价方法提供参考.     

沥青抗老化研究现状

沥青路面在铺筑及使用过程中,沥青逐渐老化.沥青老化严重影响着沥青路面的使用性能.通过改变沥青的生产工艺与利用添加剂可以改善沥青的抗老化性能,从而延长沥青路面的使用寿命.介绍了目前沥青抗老化的研究现状,包括沥青抗老化的途径、评价方法及评价指标.并阐述了目前沥青抗老化研究中存在的问题.     

沥青路面裂缝的原因与防治

我国大多数公路建成通车后,由于温度、行车荷载、沥青混合料施工质量和沥青本身性质等原因。在沥青公路的使用过程中,路面裂缝是常见的病害,严重缩短了公路的使用寿命．裂缝病害发生时应选择适当的时机．采取适宜的处治方案,在适配的沥青路面上进行及时处治,不但能延长沥青路面的使用时间．提高路面行车的舒适性,保证交通安全畅通,同时对进一步养好路面积累经验,创造良好的社会效益和经济效益。本文着重阐述了沥青路面的裂缝类型、原因以及几种处治的方法。     

导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合研究

针对沥青路面因车辆荷载、温度荷载等带来的裂缝扩展问题,采用碳纳米管-碳纤维制备导电沥青混合料,进行电-热愈合试验,分析沥青混合料裂缝愈合前后的电阻率值、断裂能、极限承载力和微观结构,研究导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合水平。结果表明,碳纳米管掺量在0.5%,1.0%时可以显著提高沥青混合料的自愈合能力;导电沥青混合料的自愈合水平与愈合前、后电阻率比值存在Sine函数关系;在50℃、20 min环境下小梁试件的极限承载力和断裂应变能得到最大限度的恢复。     

沥青砂浆多次损伤自愈合性能

沥青砂浆由沥青、细骨料及填料三部分组成,对沥青混合料的性能具有重要影响。为对比分析自愈温度、自愈时间、老化程度及损伤程度对两种沥青砂浆愈合性能的影响,采用四因素三水平正交试验方法设计沥青砂浆小梁弯曲损伤愈合试验,选出最显著影响因素,进行多次间歇期的损伤自愈合试验。利用J积分理论对沥青砂浆的愈合程度进行价评,将断裂韧性J_c作为沥青砂浆损伤愈合的评价指标。试验结果表明：断裂韧性J_c能够表征沥青砂浆内部能量释放过程,可以很好的评价沥青砂浆的愈合能力;老化程度是影响沥青砂浆愈合性能的主要因素,与基质沥青砂浆相比,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性沥青砂浆在多次损伤自愈合后的愈合性能更好;随着损伤次数的增大两种沥青砂浆的愈合度都显著下降。试验结果可为沥青混合料性能研究及路面养护提供参考依据。     

循环荷载作用下钢桥面铺装疲劳损伤失效行为研究

针对钢桥面铺装工程中普遍采用的改性沥青(Stone Matrix Asphalt,SMA)、浇筑式沥青(Guss asphalt,GA)、环氧沥青(Epoxy asphalt,EP)混合料双层铺装结构,进行了循环车载作用下钢桥面与沥青混凝土铺装疲劳损伤特性理论分析与试验研究。基于疲劳损伤度,研究了钢桥面铺装疲劳损伤失效行为和疲劳开裂过程中损伤场、应力和应变场动态演变机制,推导出疲劳失效时的损伤场、应力和应变场计算表达式,并给出钢桥面铺装疲劳寿命理论公式。以三座钢箱梁桥桥面铺装(润扬长江大桥2005,南京长江三桥2005,苏通大桥2008)为例,对不同铺装结构组合方案下的复合梁进行疲劳试验分析和使用寿命理论预测。实例研究结果表明,钢桥面铺装疲劳损伤失效行为预估模型合理可行;相较于改性沥青、浇筑式沥青,环氧沥青混合料具有较强高的强度低变形能力,更适合于大跨径钢桥面铺装抗疲劳的设计要求;由环氧沥青混合料组合而成的“双层环氧沥青混凝土”和“浇注式沥青混凝土(下层)+环氧沥青混凝土(上层)”的抗疲劳性能优于其它沥青混合料铺装结构组合方案,同等厚度组合情况下疲劳使用寿命可延长1倍~2倍以上;“双层环氧沥青混凝土”已应用于润扬长江大桥、南京长江三桥和苏通长江大桥钢桥面工程,并已成功运行10年以上,其跟踪观测结果良好。     

沥青再生过程中新-旧沥青界面混溶行为综述

随着公路里程的迅速增长,废旧沥青混合料(RAP)逐年增多,研究者开展了废旧沥青混合料回收技术的研究,发现随着RAP掺量的增大,再生沥青路面整体路用性能急剧下降。探讨其原因,废旧沥青混合料再生过程中,新-旧沥青局部融合。鉴于RAP不断增多,寻求RAP的有效处理途径成为当务之急,高掺量RAP对再生沥青路面路用性能的影响有待商榷。为解决一系列再生沥青路面的难题,需形成完整的新-旧沥青融合理论体系,探讨新沥青以及相容渗透剂在旧沥青中的扩散影响区域和扩散途径。迄今为止,国内外学者以宏观到微观的纵深演进思维,从宏观、细观、微观以及分子尺度分析新-旧沥青的混合效率,由部分融合的定性评价到融合程度量化分析的研究拓展,建立理论模型与评价指标。基于Fick扩散理论和分子动力学理论,运用混合效率和扩散速率等评价指标,探讨新-旧沥青融合影响因素及扩散机制。研究表明,影响新-旧沥青融合的因素有拌和温度、拌和时间以及材料参数,其中温度是主要因素。为满足再生沥青混合料的路用性能,研究者探讨施工参数(RAP掺量、拌和温度、拌和时间)与路用性能的关联性,从而提高废旧沥青混合料的回收利用效率。本文综合国内外的研究成果,介绍扩散理论与模型,归纳研究手段及对应的评价指标。试验研究方面,分析存在的问题及不足,详细介绍了分子示踪、分层抽提、凝胶渗透色谱(GPC)、傅里叶红外光谱(FTIR)以及原子力显微镜(AFM)等技术在新-旧沥青融合中的运用。鉴于目前研究现状,研究者仅在宏观层面上利用再生沥青、再生沥青混合料的流变性能以及预估性能,通过对比分析以确定混合效率存在的缺陷,故研究者常借助细微观研究手段来验证试验的可靠性,并指出了影响新-旧沥青融合程度的诸多因素。     

沥青自修复微胶囊研究进展

微胶囊技术在世界上已应用于多个领域,包括医药、食品和化工等,具有广阔的应用前景。将微胶囊引入到沥青材料自修复中,可提高沥青材料的自修复能力并在裂缝产生初期即可自我修复,延长路面使用寿命。与传统的裂缝修补方法相比,微胶囊自修复技术具有节能减排、降低养护成本和防止微裂缝扩展至宏观裂缝等优势。然而,沥青自修复微胶囊技术仍处于初步探索阶段,将微米级微胶囊应用于沥青材料自修复领域还存在着微胶囊强度控制范围不够明确,微胶囊破裂理论尚不成熟,且微胶囊制备工艺参数设计尚不统一等问题。因此,研究者们除研究制备工艺的影响外,还主要从选择合适的制备工艺影响参数和微胶囊的结构与性能方面不断尝试,并取得了丰硕的成果。随着制备工艺的不断成熟和影响参数的不断优化,经原位聚合法制备的微胶囊结构致密、性能优良。目前对掺微胶囊的沥青材料自修复的研究仍存在对沥青材料自修复提升效果的评价方法和评价指标尚不统一等问题。掺微胶囊的沥青材料自修复效果主要通过不同的指标来体现,包括延度、复数模量、拉伸强度、试件的载荷和沥青混合料的疲劳寿命等。其中,还对掺微胶囊的沥青混合料进行了路用性能研究。通过不同的评价指标表明,微胶囊显著提升了沥青材料的自修复效果;掺微胶囊的沥青混合料的水稳定性和高温稳定性略有下降,低温抗裂性下降较大,但仍满足规范要求。为总结沥青自修复微胶囊的研究进展,本文对比分析了多种自修复微胶囊制备方法的优势和特点,解析了影响微胶囊质量的主要因素(芯壁比、反应温度、终点pH值、乳化转速、酸化时间),总结了微胶囊的结构与性能的表征方法,介绍了掺微胶囊沥青材料自修复性能的评价方法与提升效果,阐述了微胶囊对沥青混合料路用性能的影响,探讨了借助分子动力学手段研究掺微胶囊的沥青材料自修复行为理论的可行性并展望了其未来发展前景,以期为微米级微胶囊的应用与发展提供参考。     

老化沥青混合料粘弹性疲劳损伤模型研究

为了较真实反映沥青路面服务期的疲劳损伤特性,从粘弹性材料的基本特性出发,通过本构方程和耗散能的定义构造了耗散能的泛函,定义耗散能为损伤变量,建立基于Burgers模型的老化沥青混合料粘弹性疲劳损伤模型,通过直接拉伸试验确定沥青混合料的粘弹性参数,求出损伤函数、损伤演化方程,提出一种考虑疲劳过程中老化程度对疲劳损伤影响的累积疲劳损伤计算理论与方法,为沥青混合料在不同老化程度下的疲劳寿命预估提供了依据。根据疲劳损伤模型推导出沥青混合料临界损伤度、疲劳寿命计算公式,并对其进行计算比较,精度满足要求,从而验证了粘弹性疲劳损伤模型的合理性。     

浅析沥青路面反射裂缝的产生及防治措施

半刚性基层沥青路面具有承载力高、行车舒适等优点,但由于半刚性材料收缩性大的特点,基层容易开裂并最终会反射到沥青面层上,使半刚性基层产生收缩裂缝,并最终导致沥青混凝土面层开裂,从而大大地缩短沥青混凝土路面的使用寿命。本文根据多年的的路面施工经验,对半刚性基层裂缝的原因及处治方法进行综合分析。     

基于数字散斑相关技术的老化沥青砂浆自愈合特性

沥青砂浆作为沥青混合料结构体系的分散相,其老化后的自愈合特性是影响沥青混合料路用性能的重要部分,结合沥青路面服务环境的实际情况,将老化程度及愈合时间作为条件,采用数字散斑技术进行沥青砂浆的损伤愈合实验,分析并观测其损伤愈合过程。结果表明,利用数字散斑相关技术可以很好地观测沥青砂浆损伤愈合过程;经过短期老化后的沥青砂浆在损伤愈合过程中预切口位移最大;长期老化后两种沥青砂浆的愈合值都有所提升,并且基质沥青砂浆比SBS沥青砂浆具有更好的愈合效果;沥青砂浆在愈合过程中分为二个阶段,第一阶段愈合速率较高,愈合值较大,第二阶段愈合率下降,愈合需要更长的时间。     

玻纤格栅在105国道商丘段SMA沥青罩面工程中的实践

国内外对加筋格栅沥青混凝土试验研究的结果表明,加筋格栅具有减薄沥青层厚度、防治反射裂缝、减少车辙作用等特点,能够加强沥青路面的结构性能,提高道路的使用寿命。本文结合105国道商丘段旧水泥混凝土路面加铺SMA沥青罩面的工程实践,阐述了玻纤格栅的特性、防治反射裂缝的作用机理、施工、方法、注意事项及经验体会。     

沥青混合料热粘弹性本构关系试验测定及其力学应用

基于热粘弹性力学理论,就不同的温度条件下沥青混合料的应力松弛特征开展了试验研究,应用热流变简单材料的时温等效原理对试验结果进行了分析和参数拟合,根据试验结果建立了描述沥青混合料粘弹特性的广义Maxwell模型;通过理论推导提出了沥青混合料非定常和非均匀变温条件下增量型热粘弹性本构关系,在此基础上,给出应用本构关系进行沥青路面热粘弹性力学分析的数值实现方法;通过对TSRST试验的模拟,对得到的沥青混合料热粘弹性本构关系及其数值实现方法的合理性进行了验证,并给出一个工程计算实例。