長壽命瀝青路面Top-Down裂紋開裂機(jī)理及壽命預(yù)估

“長壽命瀝青路面Top-Down 裂紋開裂機(jī)理及壽命預(yù)估”(50908093)項(xiàng)目通過項(xiàng)目負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)三年的工作，較為圓滿地完成了課題目標(biāo)。課題主要成果包括：發(fā)表15篇期刊論文，錄用1篇期刊，其中SCI收錄4篇，EI收錄4篇；參加境外舉辦的國際會議2次；獲省部級科技獎(jiǎng)勵(lì)3次，其中省部級科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1次，省部級科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)2次；培養(yǎng)畢業(yè)碩士2名，在讀碩士3名。 項(xiàng)目在理論研究方面取得了如下成果： 1. 基于斷裂力學(xué)理論，利用無網(wǎng)格伽遼金/有限元耦合方法，對瀝青路面表面裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對表面裂紋擴(kuò)展過程中的應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律和裂紋擴(kuò)展路徑的分析，以及面層、基層設(shè)計(jì)參數(shù)對裂紋擴(kuò)展的影響的研究，探討瀝青路面表面裂紋擴(kuò)展機(jī)理。采用車輪-路面相互作用接觸模型，研究了車轍對 Top-down 裂紋擴(kuò)展的影響，分析了車轍深度與不同深度 Top-down 裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系。研究了同時(shí)存在表面裂紋和反射裂紋的瀝青路面在交通荷載作用下，表面裂紋和反射裂紋開裂機(jī)理及擴(kuò)展路徑，深入討論了路面材料和結(jié)構(gòu)對裂紋擴(kuò)展路徑的影響，分析了表面裂紋的位置對反射裂紋擴(kuò)展路徑的影響，采用多裂紋小梁彎曲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多裂紋的擴(kuò)展行為。 2. 基于水泥穩(wěn)定基層瀝青路面反射裂縫產(chǎn)生機(jī)理，在剖析常規(guī)施工方法弊端的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于水泥穩(wěn)定基層瀝青路面的基層、面層連續(xù)施工方法。為了配合該連續(xù)方法的實(shí)施，開發(fā)了一種路用水泥穩(wěn)定基層材料抗裂縫劑，并通過試驗(yàn)研究證實(shí)了該抗裂縫劑的路用性能。通過試驗(yàn)路研究，證實(shí)了利用基層、面層連續(xù)施工方法鋪筑的水泥穩(wěn)定基層瀝青路面，路面開裂較常規(guī)施工方法顯著減少，證明了該施工方法在提高路面抗裂方面的有效性。同時(shí)，分析了基、面層連續(xù)施工方法抗裂的機(jī)理。分析表明，該施工方法主要是通過增加基層自身抗裂性能、減少基層含水量變化和成型初期溫度變化幅度三個(gè)方面來減少基層自身的開裂，從源頭上避免反射裂縫的產(chǎn)生；另外，該施工方法還可以提高基層、面層之間的粘結(jié)，從而將路面各結(jié)構(gòu)層有機(jī)結(jié)合為一個(gè)整體，增強(qiáng)路面的整體結(jié)構(gòu)性能，從事實(shí)現(xiàn)路面的抗裂能力的提升。最后，對該施工方法存在的不足進(jìn)行了討論，提出需要在基層壓實(shí)度控制、層間粘結(jié)機(jī)理上進(jìn)一步研究。 2100433B

為了節(jié)約資源,保護(hù)環(huán)境,降低整體費(fèi)用，長壽命瀝青路面應(yīng)運(yùn)而生。要實(shí)現(xiàn)瀝青路面長壽命化，需探討其破壞機(jī)理，預(yù)估其破壞壽命，以改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，限制破壞進(jìn)入結(jié)構(gòu)層。本研究針對長壽命瀝青路面的Top-down裂紋破壞，考慮瀝青混合料的粘彈材料屬性，基于以耗散蠕變應(yīng)變能為指標(biāo)的瀝青混合料斷裂力學(xué)理論，利用無網(wǎng)格伽遼金/有限元耦合數(shù)值方法，建立長壽命瀝青路面top-down裂紋的萌生和擴(kuò)展物理仿真模型，研究長壽命瀝青路面top-down裂紋破壞機(jī)理。通過對路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如材料屬性、結(jié)構(gòu)層厚度等的參數(shù)化分析，探求滿足長壽命理念的瀝青路面設(shè)計(jì)控制參數(shù)，限制top-down裂紋在設(shè)計(jì)壽命期進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)層，為實(shí)現(xiàn)長壽命瀝青路面混合料選擇和厚度設(shè)計(jì)提供理論支持。

裂紋的形成是連鑄過程中力學(xué)因素和冶金特性綜合作用的結(jié)果，從裂紋的形成到出現(xiàn)，必須有作用應(yīng)力，且材料本身不能承受此應(yīng)力。因此，要理解連鑄中各類裂紋的形成過程，就需要了解應(yīng)力源和材料的高溫特性，特別是延展性。而且需要指出的是，裂紋形成不見得均勻進(jìn)行，可能有明顯的裂紋開始和擴(kuò)張階段。下面就幾種典型的表面裂紋和內(nèi)部裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行分析。

連鑄坯裂紋表面橫向裂紋的形成機(jī)理

有證據(jù)表明，表面橫向裂紋的早期形成階段，出現(xiàn)在結(jié)晶器內(nèi)的高溫區(qū)，并且與振痕附近的偏析有關(guān)。這些區(qū)域熔點(diǎn)低，且由于向結(jié)晶器的熱傳輸降低，而使溫度較高，從而導(dǎo)致熱扯裂。當(dāng)碳含量達(dá)到出現(xiàn)包晶的程度時(shí)，表面橫向裂紋增加，盡管表面橫向裂紋的早期形成階段，可能位于結(jié)晶器內(nèi)，但這些缺陷變大、變多則是在結(jié)晶器之后的低溫區(qū)，當(dāng)其受到來自各種渠道的應(yīng)力作用，特別是象鑄坯矯直時(shí)那樣的應(yīng)力作用時(shí)，當(dāng)這些應(yīng)力出現(xiàn)在延展性差的溫度范圍內(nèi)，表面橫向裂紋很嚴(yán)重。由于熱延展性受微合金影響強(qiáng)烈，所以有報(bào)道認(rèn)為，這就是微合金元素影響表面橫向裂紋的機(jī)理，除微合金元素析出物在表面橫向裂紋的形核方面起一定作用外，振痕也有利于裂紋的擴(kuò)張。這是由于振痕下的晶粒尺寸較粗大，且凹口形的幾何形狀也會使應(yīng)力集中。

連鑄坯裂紋表面縱向裂紋的形成機(jī)理

連鑄坯表面縱向裂紋的產(chǎn)生往往與表面縱向凹陷相伴隨。據(jù)認(rèn)為，連鑄坯表面縱向凹陷、裂紋是在結(jié)晶器彎月面附近產(chǎn)生，在二冷區(qū)得到擴(kuò)展，因此，其根源在于鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的凝固行為及其影響因素。各種原因?qū)е碌牟痪鶆騻鳠岷筒痪鶆蚰虝斐设T坯凹陷，凹陷部位冷卻和凝固速度比其他部位慢，結(jié)晶組織粗化，對裂紋敏感性強(qiáng)。坯殼出結(jié)晶器后受到噴水冷卻和鋼水靜壓力引起的膨脹作用，在凹陷的薄弱處造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。坯殼表面凹陷越深，坯殼厚度不均勻性就越嚴(yán)重，縱裂出現(xiàn)的幾率越大。

成分、結(jié)晶器狀況、過熱度、拉速、保護(hù)渣甚至是操作等導(dǎo)致的不均勻傳熱，都增加了鑄坯產(chǎn)生表面縱向凹陷和裂紋的幾率。

連鑄坯裂紋內(nèi)部裂紋的形成機(jī)理

最初在結(jié)晶器中形成的2-5mm厚的凝固殼為細(xì)小的等軸晶，之后凝固組織變?yōu)橹鶢罹?。柱狀晶的方向基本上與坯殼表面垂直，且平行于熱流方向。隨著凝固的進(jìn)行，S,P等元素發(fā)生偏析，在固液界面前沿及枝晶之間富集。含S,P較高的晶界在大體積材料的固相線溫度Tsol下仍處于液態(tài)，對于與柱狀晶方向垂直的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變而言，處于液相的晶界幾乎沒有塑性。開始出現(xiàn)零塑性的溫度ZDT比固相線溫度低30 ~ 70℃,當(dāng)結(jié)晶器摩擦力引起的應(yīng)力、坯殼鼓肚應(yīng)力、熱應(yīng)力、矯直應(yīng)力、以及由于導(dǎo)輥?zhàn)冃?、不對中引起的附加機(jī)械應(yīng)力作用于凝固前沿時(shí)，凝固界面率先沿柱狀晶晶界開裂形成裂紋，并向固相擴(kuò)展，同時(shí)凝固前沿富含溶質(zhì)元素的鋼水有可能被“抽吸”進(jìn)入裂紋。這就是內(nèi)裂紋有時(shí)伴隨著偏折線一起出現(xiàn)的原因。

初始形成的裂紋沿柱狀晶晶界向固相擴(kuò)展，由于溫度逐漸降低，塑性和強(qiáng)度逐漸上升，或遇到表層等軸晶區(qū)，裂紋擴(kuò)展被抑制。在隨后的凝固過程中，如果凝固前沿繼續(xù)受到應(yīng)力或應(yīng)變的作用，則已形成的內(nèi)裂紋將隨著凝固界面的推進(jìn)而連續(xù)“生長” 。