第1章绪论
1.1引言
近年来，我国公路、铁路、机场等交通基础设施建设取得了长足进步，支撑了国民经济和社会的发展。沥青混合料因良好的力学性能和施工特性，成为高等级公路路面、桥面及机场道面铺装或加铺的重要材料。然而，随着交通量的增大以及气候环境的影响，沥青路面存在早期损害严重、耐久性不足等问题，服役年限与设计寿命存在较大差距。由于材料设计、施工控制等因素，沥青路面存在级配离析、摊铺均匀性差以及压实效果不佳等问题，难以保证力学性能及服役耐久性。气候、荷载等是引起路面病害的重要因素，提升沥青混合料的力学性能是解决问题的根本途径。因此，有必要从沥青混合料细观特性及力学机制出发开展基础理论研究，突破技术瓶颈，提高沥青混合料的设计及施工控制水平，进而提升沥青路面服役耐久性。
1.1.1沥青混合料的组成设计
沥青混合料是由不同粒径的矿料、沥青结合料(基质沥青、改性沥青、橡胶沥青、高黏沥青等)和空隙构成的多级多相复合材料，具有典型的颗粒特征，属于颗粒材料的范畴。颗粒材料是以固体颗粒为聚集体，以离散态存在的一种复杂物质体系，在结构上具有非均质、非连续及随机性等特点，其运动规律和力学行为非常复杂(Jaeger et al.，1996)。
长期以来，沥青混合料设计一直沿用传统的强度表面理论和马歇尔法，但传统的强度表面理论难以解释沥青混合料复杂的黏弹塑性响应。马歇尔法是一种经验性的体积设计法，体积指标无法与沥青混合料的性能参数建立良好关系，其指标也难以用于预测沥青混合料的使用性能。近年来，针对传统沥青混合料设计体系中存在的问题，美国、欧盟、加拿大、中国等国家/区域一体化组织的道路工作者长期致力于改进与完善原有沥青混合料设计方法，其中美国战略公路研究计划(SHRP)的高性能沥青路面(Superpave)成果*为引人注目，但其体系中沥青混合料配合比设计仍然是以体积设计法为核心，设计参数没有反映沥青混合料颗粒效应及界面特性的本质，难以实现对沥青路面车辙等早期病害的有效控制。因此，深入认识颗粒材料的细观结构、界面特性以及动态力学响应机制，对提高沥青混合料组成设计水平，提升服役耐久性具有重要的科学意义及工程应用前景。
沥青混合料包括矿料和沥青两大部分，其中矿料颗粒互相嵌挤形成骨架，裹覆于矿料表面的沥青发挥黏结作用。矿料级配组成和沥青用量确定是沥青混合料组成设计的两个重要方面，级配组成的合理性不仅影响沥青混合料的施工效果，也关系到力学性能。矿料类型、粒径和级配在很大程度上影响颗粒间的嵌挤、摩擦特性，但目前矿料级配仍停留在经验设计阶段，远没有实现矿料组成按需设计，因而难以保证混合料的性能；此外，矿料粒径和级配组成对于沥青混合料抗变形性能提升的贡献也需要通过矿料颗粒界面特性进行更加科学的解释。
沥青属于强感温性材料，较低的温度下沥青黏度大，黏滞作用显著，主要发挥矿料间的黏结作用；随着温度的升高，沥青黏度急剧衰减，沥青膜逐渐失去黏结作用，并转化为矿料界面的润滑效应。沥青用量决定了矿料表面沥青膜的厚度，直接关系到矿料颗粒界面嵌挤、摩擦、润滑、迁移等细观特性，因此，沥青类型及用量在很大程度上影响沥青混合料的拌和、压实效果以及力学性能。然而，当前广泛采用的马歇尔法与旋转压实法均没有从矿料-沥青界面细观效应的角度考虑沥青用量的影响。
合理的矿料级配是保证沥青混合料力学性能的前提，但由于对矿料接触、摩擦与滑移作用行为及机理的认识不够充分，目前世界各国矿料级配组成仍停留在经验设计阶段，即在较宽的级配范围，由技术人员根据工程和材料情况在其范围内选择，远远没有实现矿料组成按需设计，无法保证沥青混合料的路用性能，设计的混合料与性能要求相去甚远。此外，对于矿料粒径，有研究认为矿料越粗，沥青混合料的高温抗变形能力越强，也有研究认为，中粒式沥青混凝土的抗车辙能力优于细粒式和粗粒式。然而，矿料粒径和级配何者起主导作用，在混合料设计时如何选择等问题，都要通过矿料摩擦特性及界面滑移变形机理进行解释。
沥青的黏聚力和矿料的嵌挤、摩擦作用是沥青混合料力学性能的两个重要影响因素，对于二者的贡献未达到统一的认识。在混合料设计中如何协调和把握，仍缺乏广泛认可的研究成果。实际上，沥青作为沥青混合料中的强感温材料，当温度较低时，沥青黏度增大，其黏聚力对矿料界面滑动起阻碍作用；当温度较高时，沥青逐渐向液态转化，对矿料界面滑动起到润滑作用，即加入的沥青会对矿料摩擦和黏结产生复杂的交互影响。目前有关沥青对矿料摩擦及界面滑动的双重效应缺乏深入的研究。
综上，沥青混合料设计方法多依靠经验法和体积法，很大程度上依赖于压实后沥青混合料的体积指标以及路用性能，由于设计过程中缺乏有效的力学参数，没有建立原材料特征与混合料组成设计的关联性，沥青混合料的路用性能及路面病害难以有效控制。此外，沥青混合料需要通过有效的施工形成沥青路面，良好的沥青混合料设计方法不应仅仅关注力学性能，还应该兼顾施工特性，保障施工效果。
1.1.2沥青混合料的施工控制
在沥青路面设计中，往往假定沥青混合料是均匀的，但由于材料组成、施工条件及参数控制等因素，在施工过程中，常常会出现沥青混合料集料分布不均匀(材料离析)和温度分布不均匀(温度离析)现象，进而引起压实微裂纹、压实镜面、压实推移、弹簧现象、压实白斑等一系列压实工艺问题，无法达到预期的压实效果，进而引起路面病害，影响路面性能，如图1.1所示。
图1.1沥青路面压实存在的问题
沥青混合料力学及路用性能需要通过良好的摊铺和压实工艺来保证，摊铺均匀性和压实效果与材料组成特性、施工机械以及环境因素密切相关。然而长期以来，道路工程领域更关注路面材料与结构的力学性能及工程应用研究，施工质量控制主要依据工程经验，对摊铺、压实等工程阶段沥青混合料的细观作用机制及动力学特性的研究相对较少。由于缺乏相关理论支撑，在施工质量控制方面存在一些问题：
(1)沥青混合料施工条件的确定缺乏理论依据。
沥青混合料的摊铺及压实效果与原材料性质及组成、拌和与施工温度及工艺等因素有关，条件参数控制不当不仅影响工艺效果，而且会导致混合料离析，引起路面病害。当前采用黏温*线确定拌和压实温度，主要考虑沥青结合料自身黏度变化，没有充分考虑拌和及施工过程中矿料颗粒体系的微细观效应。在混合料拌和及摊铺过程中，沥青混合料呈松散流动态，矿料界面特性也主要表现为颗粒碰撞及滚动摩擦；在压实过程中则主要表现为矿料界面滑动摩擦及错动，需要针对其摩擦机制及动力学特性的差异，分别研究混合料生产及施工控制条件。
此外，改性沥青与基质沥青的性质存在很大差异，其黏结与润滑作用对矿料的摩擦效应以及迁移、错动行为的影响更为复杂，改性沥青混合料的摊铺压实特性有待进一步研究。同时，不同地区的气候状况不尽相同，如青藏高原多年冻土地区和南方高温地区不同的环境温度、降温速率等都会影响施工效果和路面性能。
(2)沥青混合料*佳压实状态评价缺乏科学有效的评价方法。
对于颗粒性材料，沥青路面的力学性能与沥青混合料的压实状态密切相关。如果压实不足，矿料颗粒之间无法达到嵌挤、啮合的效果，空隙率过大，路面力学性能难以达到设计预期，但如果压实功过大或压实过度，部分粗集料被压碎严重，出现压实白斑，级配变细，路面性能难以保证。因此，控制*佳压实状态是保证路面力学性能的重要技术手段。但由于对压实过程中矿料界面微细观力学行为缺乏全面、系统的认识，沥青混合料*佳压实状态难以把握，也缺乏科学有效的评价方法。
1.1.3沥青混合料的服役性能
沥青混合料经过拌和、运输、摊铺、碾压等工序，形成具有力学强度和承载能力的道路结构层。在开放交通后，如果沥青路面的服役耐久性不足，在行车荷载和自然环境综合作用下，将产生车辙、坑槽、开裂等路面病害，甚至一些高速公路沥青路面开放交通2～3年就出现较严重的早期破坏现象，使用寿命与设计年限相去甚远，不仅造成巨大的经济损失，而且产生负面的社会影响。
造成高速公路沥青路面早期病害严重、服役性能不足的原因是多方面的，在材料方面，有不同批次的沥青、砂石等材料质量参差不齐，混合料设计不合理等因素；在路面结构方面，有结构组合及层间处治不当的因素；在施工方面，有施工控制不严格，操作不规范等因素。此外，近年来随着气候变暖，夏季高温气候增多，再加上交通量的迅猛增长和重载、车辆渠化等因素，加速了路面病害发生。其中，夏季高温、重载交通、长大纵坡等严酷环境及特殊路段的车辙、推移等变形类病害是高等级公路沥青路面*突出、危害*大、处治*困难的病害类型之一。然而，仅关注气候、荷载等客观因素是不够的，从路面材料本身入手，深入研究沥青混合料在生产、施工及服役阶段的微细观效应及作用机制，从微细观的角度进行沥青混合料优化设计、生产及施工控制是保证沥青混合料力学性能和从根本上解决路面病害问题，提高路面服役耐久性的有效途径。
大量研究认为，沥青混合料的抗变形***要与其抗剪强度有关。然而这一表述只是从宏观力学的角度分析了沥青混合料的强度形成机理，并没有抓住沥青混合料材料组成及强度构成的本质。对于典型的颗粒性材料，沥青混合料的宏观力学响应是矿料间的接触、摩擦特性和界面滑移行为的外在表现，仅仅采用传统的力学方法难以有效表征其变形行为，对沥青路面病害成因分析及服役性能预测也存在一定的局限性。
1.1.4沥青混合料的细观特性
沥青混合料中的矿料颗粒体系具有典型的能量耗散特征，通过颗粒间的接触、摩擦与外界交换能量；在沥青黏结、润滑效应作用下，矿料颗粒界面接触状态发生变化，形成复杂的界面效应。在拌和、摊铺以及压实的不同阶段，沥青混合料内部矿料颗粒在接触-摩擦-黏结-润滑效应作用下发生界面滑移、滚动等迁移行为，从而达到平衡状态或失效。在沥青混合料的拌和及运输过程中，裹覆沥青的矿料颗粒呈流动状态，易受外界扰动发生大规模迁移。如果混合料组成设计及施工条件控制不合理，就会发生集料聚集以及出现离析现象，进而影响沥青混合料的压实效果和力学性能。在压实过程中，松散流动态的沥青混合料在碾压荷载作用下发生空间有限的界面迁移，同时沥青混合料由松散的流动态向结构成型的稳定态转变。在服役阶段，矿料颗粒在荷载作用下发生缓慢的滑移及扭转，颗粒接触状态及界面效应不断演化、衰变直至失效，从而产生严重的路面病害。
可见，不同阶段、不同状态的沥青混合料可以看作由矿料颗粒体系和沥青结合料组成的矿料-沥青混合颗粒体系(简称混合颗粒体系)。沥青混合料的摊铺、压实是混合颗粒体系由松散流动态，经亚稳过渡态，向成型稳定态(相对稳定)转化的过程，矿料颗粒的摩擦、迁移以及错动行为不仅贯穿沥青混合料拌和、摊铺以及碾压等阶段的始终，而且在很大程度上决定了沥青混合料的离析特性、压实效果以及强度形成与衰变机制，从而关系到路面病害及耐久性。不同工程阶段沥青混合料的状态与界面特性如图1.2所示。
图1.2不同工程阶段的沥青混合料状态与界面特性
散体矿料颗粒特征、沥青性质和膜厚、施工工艺等因素对混合颗粒体系的界面效应具有重要影响，其中矿料颗粒特征(几何特征、岩性、粒径)直接决定了颗粒间的接触摩擦状态，而沥青在不同温度条件下的黏结、润滑作用不同，这在很大程度上增加了混合颗粒体系界面效应的复杂性。
因此，颗粒体系动态界面迁移是沥青混合料的细观力学行为，与界面摩擦、黏结、润滑等多重效应密切相关。沥青混合料有别于传统的固体介质，矿料颗粒之间是不连续的，其复杂的颗粒外形和嵌挤状态，以及矿料界面沥青的黏结与润滑双重作用都显著影响着沥青混合料的均匀性和压实特性。不同阶段及状态的颗粒体系动态界面迁移行为既具有*立性，又具有前后传递性和相互转化性，深入系统地研究其动力学特性、相互转化行为及传递机理，可以为沥青混合料压实动力学、力学演化以及强度衰变奠定理论基础。然而长期以来，道路工程领域更关注路面宏观摊铺均匀性与压实效果及
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