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冻融循环下环氧沥青混凝土断裂行为及微观机制探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着我国交通事业的蓬勃发展，道路工程建设规模不断扩大。环氧沥青混凝土凭借其优良的性能，如高强度、高粘结性、良好的耐久性和抗疲劳性能等，在道路工程，尤其是钢桥面铺装、重载交通道路以及特殊环境要求的路面工程中得到了广泛应用。例如，在一些大跨径桥梁的钢桥面铺装中，环氧沥青混凝土能够有效适应钢桥面的变形，提供可靠的行车表面，延长桥面的使用寿命。

然而，在我国北方寒冷地区以及一些高海拔地区，道路面临着严峻的冻融循环作用。在冬季，路面结构中的水分会在低温下结冰膨胀，而在春季气温回升时，冰又融化成水，这种反复的冻融过程对环氧沥青混凝土的性能产生了显著的影响。冻融作用可能导致环氧沥青混凝土内部结构损伤，如微裂纹的产生和扩展，进而降低其强度和耐久性。从实际工程案例来看，许多处于冻融环境下的道路在使用一段时间后，出现了不同程度的裂缝、坑槽等病害，严重影响了道路的正常使用和行车安全。

研究冻融作用下环氧沥青混凝土的断裂行为具有重要的现实意义。从道路耐久性方面考虑，深入了解冻融作用对环氧沥青混凝土断裂性能的影响机制，可以为道路结构设计提供更科学的依据，优化路面结构组合，提高道路抵抗冻融破坏的能力，从而延长道路的使用寿命。在经济层面，通过提高道路的耐久性，能够减少道路维修和养护的频率，降低长期的维护成本。例如，若能通过研究成果有效延长道路使用寿命5-10年，对于大规模的道路网络来说，将节省巨额的维修和重建费用，这对于合理分配交通建设资金，提高资金使用效率具有重要作用。此外，良好的道路状况能够保障交通运输的高效和安全，促进区域经济的发展，具有显著的社会效益。

1.2国内外研究现状

1.2.1冻融作用对沥青混凝土性能影响研究

在冻融作用对普通沥青混凝土性能影响方面，众多学者开展了广泛研究。有研究表明，冻融循环会导致沥青混凝土内部结构发生显著变化。从微观角度来看，水分在低温下结冰膨胀，会在沥青混凝土内部产生较大的冻胀应力，致使沥青与集料之间的粘结界面出现微裂纹。这些微裂纹随着冻融循环次数的增加逐渐扩展、连通，进而降低了沥青混凝土的力学性能。例如，在冻融循环作用下，沥青混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗弯拉强度等均会明显下降。有研究通过室内试验发现，经过一定次数的冻融循环后，沥青混凝土的抗压强度可降低30%-50%，抗拉强度降低幅度也在20%-40%之间。

在水稳定性方面，冻融循环会严重损害沥青混凝土的水稳定性。由于水分的侵入和冻胀作用，沥青与集料之间的粘附力减弱，导致沥青混凝土在水的作用下更容易发生剥落、松散等病害。相关试验数据显示，冻融循环后沥青混凝土的冻融劈裂强度比明显降低，表明其抗水损害能力大幅下降。在高温稳定性方面，冻融作用会使沥青混凝土的高温稳定性变差，更容易出现车辙等病害。这是因为冻融循环破坏了沥青混凝土的内部结构，使其抵抗高温变形的能力减弱。

对于环氧沥青混凝土，由于其特殊的化学组成和结构，在冻融作用下的性能变化与普通沥青混凝土既有相似之处，也有独特的特点。环氧沥青通过环氧树脂与沥青的化学反应，形成了三维网状结构，使其具有较高的强度和粘结性。然而，冻融作用同样会对环氧沥青混凝土造成损伤。有研究指出，在冻融循环过程中，环氧沥青混凝土内部的水分结冰膨胀，会导致其内部结构产生微裂纹，进而影响其力学性能。但相较于普通沥青混凝土，环氧沥青混凝土凭借其优异的粘结性能和较高的强度，在一定程度上能够抵抗冻融作用的破坏，表现出相对较好的耐久性。例如，在相同的冻融循环条件下，环氧沥青混凝土的强度损失率低于普通沥青混凝土。然而，目前对于环氧沥青混凝土在冻融作用下的性能变化规律和损伤机理的研究还不够深入，尤其是在微观层面的研究还存在较大的欠缺。

1.2.2沥青混凝土断裂行为研究方法与技术

在沥青混凝土断裂行为研究中，断裂参数测试方法是关键手段之一。常用的测试方法包括直接拉伸试验、间接拉伸试验（如巴西劈裂试验）、三点弯曲试验和紧凑拉伸试验等。直接拉伸试验能够直接获取沥青混凝土的抗拉强度和断裂应变等参数，但试验操作难度较大，对试件的制备和试验设备的精度要求较高。间接拉伸试验相对简单易行，通过对试件施加径向压力，间接测定其抗拉强度，在工程中应用较为广泛。三点弯曲试验和紧凑拉伸试验则主要用于测定沥青混凝土的断裂韧性和断裂能等参数，能够更深入地研究其断裂特性。例如，通过三点弯曲试验可以得到沥青混凝土的断裂韧性KIC，从而评估其抵抗裂缝扩展的能力。

随着计算机技术的飞速发展，数值模拟技术在沥青混凝土断裂行为研究中得到了广泛应用。有限元分析是目前应用最为普遍的数值模拟方法之一。通过建立沥青混凝土的有限元模型，可以模拟其在不同荷载和