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基于材料创新与数值模拟的沥青道路裂缝修复技术深度研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着我国交通事业的飞速发展，沥青道路作为主要的道路类型，其里程不断增加，在交通网络中扮演着至关重要的角色。然而，沥青道路在长期使用过程中，不可避免地会受到各种因素的影响，出现裂缝等病害。这些裂缝不仅影响道路的平整度和美观度，更严重威胁到道路的结构安全和使用寿命。据相关数据统计，我国大量的沥青道路在通车后的几年内就出现了不同程度的裂缝问题，且随着时间的推移，裂缝病害呈逐渐加剧的趋势。

裂缝对沥青道路的危害是多方面的。在水损害方面，一旦裂缝出现，雨水便会顺着裂缝渗入路面结构内部。这些渗入的水分会在行车荷载的反复作用下，形成动水压力，对路面结构层进行冲刷，导致基层材料的细颗粒被带走，进而引发唧浆、坑槽等病害。唧浆现象会使路面与基层之间的粘结力下降，坑槽则直接影响行车的舒适性和安全性。在行车安全方面，裂缝的存在会破坏路面的平整度，使车辆行驶时产生颠簸和跳动。这不仅增加了车辆零部件的磨损和油耗，还容易导致驾驶员疲劳，在高速行驶时，甚至可能引发车辆失控等严重交通事故，危及人们的生命财产安全。在使用寿命方面，裂缝的出现为各种有害因素进入路面结构提供了通道，加速了路面材料的老化和损坏，大大缩短了沥青道路的正常使用寿命，使得道路需要提前进行大修或重建，增加了道路养护和建设的成本。

高粘性填缝胶作为一种专门用于处理沥青道路裂缝的材料，在道路维护中具有举足轻重的作用。传统的填缝胶在性能上存在一定的局限性，如粘结强度不足、耐老化性能差、弹性恢复率低等，难以满足日益增长的道路维护需求。研发新型高粘性填缝胶可以有效解决这些问题，提高填缝胶与裂缝壁的粘结力，使其能够更好地适应裂缝的变形，增强填缝胶的耐候性和耐久性，从而延长填缝胶的使用寿命，减少道路裂缝的再次出现，降低道路维护成本。

数值模拟作为一种先进的研究手段，在沥青道路裂缝研究中具有独特的优势。通过建立合理的数值模型，可以模拟不同工况下裂缝的扩展规律和力学响应。这有助于深入了解裂缝的形成机制和发展过程，为新型高粘性填缝胶的研发提供理论依据。同时，数值模拟还可以预测填缝胶在实际使用中的性能表现，评估不同配方和工艺对填缝胶性能的影响，从而优化填缝胶的设计，提高研发效率，降低研发成本。

综上所述，开展沥青道路新型高粘性填缝胶研发及“子母裂缝”数值模拟分析的研究具有重要的现实意义和应用价值。它不仅能够有效解决沥青道路裂缝问题，提高道路的安全性和使用寿命，降低道路维护成本，还能为我国交通事业的可持续发展提供有力的技术支持。

1.2国内外研究现状

在沥青道路填缝胶研究方面，国外起步较早，技术相对成熟。美国、日本等发达国家研发的填缝胶产品在性能上具有较高的水平，如美国的一些填缝胶产品具有良好的高低温性能和粘结耐久性，能够适应复杂多变的气候条件和交通荷载。在材料配方上，国外通常采用高性能的聚合物改性沥青作为基料，并添加多种助剂来改善填缝胶的性能。例如，通过添加橡胶粉、SBS等聚合物，提高填缝胶的弹性和柔韧性，使其更好地适应裂缝的变形；添加抗氧剂、紫外线吸收剂等助剂，增强填缝胶的耐老化性能，延长其使用寿命。在生产工艺上，国外多采用先进的自动化生产设备和精确的质量控制体系，确保产品质量的稳定性和一致性。

国内对沥青道路填缝胶的研究也取得了一定的成果。同济大学柴喜锦等人针对宽度为1-4cm的横向裂缝，专门研制出了一种加热型沥青修补材料，此种材料具有很好的粘结力、耐高低温性能和弹性，最显著的优点是开放交通快。国内研究人员在借鉴国外先进技术的基础上，结合国内的实际情况，对填缝胶的配方和性能进行了优化。例如，通过研究不同聚合物的改性效果，筛选出适合国内气候条件和道路特点的聚合物品种和掺量；研究不同助剂的协同作用，提高填缝胶的综合性能。在生产工艺方面，国内也在不断引进和改进先进的生产设备，提高生产效率和产品质量。然而，与国外相比，国内的填缝胶产品在某些性能指标上仍存在一定的差距，如在高温稳定性和低温抗裂性方面，部分国产填缝胶还不能完全满足实际工程的需求。

在沥青道路裂缝数值模拟方面，国外的研究相对深入。学者们运用有限元计算方法对混凝土、沥青混合料等裂缝扩展行为进行了广泛的数值模拟研究。现有数值模型常用的方法有扩展有限元方法、开裂单元嵌入法以及基于材料或单元二次开发进行开裂问题的计算研究。金光来等研究了沥青混合料在Ⅰ型和Ⅰ－Ⅱ复合型模式下的断裂问题，对单边切口梁的断裂过程进行数值模拟研究；程一磊等采用基于扩展有限元方法对沥青混合料小梁异质模型进行了三点弯曲断裂的数值模拟。这些研究通过建立复杂的数值模型，考虑了材料的非线性特性、裂缝的扩展机制以及荷载和环境因素的影响，为沥青道路裂缝的研究提供了重要的理论支持和技术