2020年, 第33卷, 第10期　刊出日期：2020-10-20

  

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  中国公路学报. 2020, 33(10): 0-0.

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  路面材料力学与仿真专刊导语

  中国公路学报. 2020, 33(10): 0-0.

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  我国经历了20年的高速公路基础设施建设期，随着大规模养护的陆续开展，精准、合理、高效的沥青路面材料力学行为评估及性能预测，成为提高路面服役耐久性和养护管理智能化的关键。沥青路面材料的多组分组成、多尺度特征及多物理场依赖性等导致其力学行为极为复杂，基于经验性试验的现象学方法是认识和评价路面材料的重要手段，但其低效性、高消耗性难以满足高性能沥青材料的设计需求。而近年来随着大容量计算和高效图像处理技术的发展，数值模拟与仿真逐步成为研究和认识路面材料力学行为的重要工具。正是在这一背景下，有限元法（FEM）、离散元法（DEM）和分子动力学模拟（MD）等数值模拟方法借助计算机建立路面材料数字化虚拟模型，分析多物场耦合作用下路面材料复杂力学行为成为本领域研究热点。而材料基因组、多尺度跨越、数字化设计等概念在路面材料力学行为研究中的解读也达到了一个新的高度。
  为及时总结路面材料力学与仿真方向的最新成果，引领路面材料与结构的发展，进一步推动和促进路面材料数字化设计，《中国公路学报》编辑部邀请哈尔滨工业大学王大为教授（我刊副主编）牵头组约国内相关研究领域知名专家学者出版本期路面材料力学与仿真专刊。本专刊组稿负责人还包括长沙理工大学吕松涛教授（本刊特约编辑）、哈尔滨工业大学董泽蛟教授、长安大学刘玉副教授；特邀评审专家为长沙理工大学郑健龙院士、华南理工大学张肖宁教授、同济大学孙立军教授和哈尔滨工业大学谭忆秋教授。
  专刊共组约稿件70余篇，经编辑部组织专家审稿最终录用23篇。
  专刊主要内容包括以下四个方面：
  （1）综述。梳理、总结国内路面材料与力学领域最新成果，探讨未来的研究方向和发展趋势。内容包括：沥青混合料疲劳性能试验与表征方法、沥青混合料基因特性等。
  （2）路面力学行为分析。内容包括：沥青路面材料参数空间差异性分析、长寿柔性基层沥青路面、沥青疲劳动力学表征、沥青路面动力响应研究、湿滑条件下机轮着陆滑跑行为解析等。
  （3）路面材料多尺度表征。内容包括：沥青微观损伤机理分析、分子动力学模拟相变微胶囊与沥青增强机理、沥青砂浆细观图像特征研究、沥青混合料三维空隙形态特征评价、沥青混合料集料切向弹性刚度、水泥基复合材料细观研究等。
  （4）绿色铺装材料与先进测试方法。内容包括：路用聚氨酯胶结料性能研究、就地热再生沥青混合料评价、温拌胶粉改性沥青胶浆低温抗裂性能研究、道路沥青材料VOCs分析，以及沥青路面目标与裂缝智能识别、沥青面层模量的检测与损伤分析和沥青混凝土超声波检测等研究。
  路面材料力学与仿真领域基础理论和应用技术的创新，是我国建设交通强国的重要支撑。《中国公路学报》将继续关注相关领域的最新研究成果，以期为广大专家、学者及工程技术人员提供一个学习、交流的平台，促进中国公路交通行业安全、绿色与可持续发展。
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  封一/四

  中国公路学报. 2020, 33(10): 0-0.

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综述
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  中国路面工程学术研究综述·2020

  《中国公路学报》编辑部

  中国公路学报. 2020, 33(10): 1-66. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.001

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  改革开放40多年，中国公路建设取得了举世瞩目的成就，有力地支撑了国家社会经济的高速发展。近年来，与路面工程相关的新理论、新方法、新技术、新工艺、新结构、新材料等不断涌现。该综述以实际路面工程中所面临的典型问题、国家科技奖的技术创新内容、科技部及国家自然科学基金项目、优秀中文权威期刊的论文、Web of Science中的高被引论文的关键词为依据，系统分析了国内外路面工程7大领域的研究现状及未来的发展方向。具体涵盖了：智能环保路面技术、先进路面材料、先进施工技术、路面养护技术、路面结构与力学性能、固废综合利用技术及路面再生技术等。可为路面工程领域的研究人员与技术人员提供参考和借鉴。
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  沥青混合料疲劳性能试验与表征方法综述

  吕松涛, 刘超超, 屈芳婷, 郑健龙

  中国公路学报. 2020, 33(10): 67-75. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.002

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  针对沥青混合料疲劳耐久性设计参数的不确定性与不科学性问题，从疲劳试验方法及疲劳性能表征模型两方面对沥青混合料疲劳性能表征的发展现状、存在的问题进行了综述，并总结了其未来发展方向。沥青混合料疲劳性能主要通过室内外不同疲劳试验进行研究，不同试验方法所用沥青混合料试件的尺寸、形状，试件内部所处应力状态及试验条件皆各不相同，而沥青混合料是一种由沥青结合料与不同粒径矿料通过搅拌和碾压而成的多相、多组分、多尺度黏弹性混合料，其力学响应具有显著的时间、温度与应力状态相关性，不同试验方法所对应的加载速度、试验温度及应力状态存在较大的差异性，故其试验结果呈现出显著的不确定性，其疲劳性能表征模型参数也存在显著的差异性；此外，常用的室内材料疲劳试验方法大多为一维或二维应力状态下的疲劳试验，这与沥青路面结构实际服役过程中所处的三维应力状态不符；沥青混合料疲劳性能表征方程大多来源于一维应力状态下的疲劳试验结果，因此，用简单应力状态下的材料疲劳试验方法与性能表征模型难以客观表征三维应力状态下沥青路面结构的疲劳抗力，从而导致沥青路面疲劳耐久性设计存在较大的偏差。建议开发与沥青路面服役状态一致的三维应力状态下的疲劳试验方法，并建立三维应力状态下疲劳表征模型，以消除不同试验方法及试验条件对沥青混合料疲劳性能表征的影响，提高沥青混合料疲劳性能表征的有效性与完备性。
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  基于材料基因组方法的沥青混合料基因特性综述及展望

  邢超, 谭忆秋, 张凯, 单丽岩, 徐慧宁

  中国公路学报. 2020, 33(10): 76-90. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.003

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  基于数据驱动的材料基因组方法是未来材料研发的趋势，尤其对于具有复杂材料组成、显著结构随机性和材料分布不均匀性的沥青混合料具有重要的指导意义。为推动沥青混合料基因组方法的应用，综述了影响沥青混合料性能的材料基因组体系及与使用性能的关联。首先，总结了目前材料基因组方法在材料工程领域的应用；然后，介绍了沥青混合料基本材料特征基因，主要包括沥青组分、沥青微观结构、集料矿物组成和集料形貌特征，并分析主要特征基因与材料性能之间的联系；进而，介绍了沥青混合料细观结构特征基因，包括空隙分布、集料分布和集料接触关系，总结了细观尺度上的研究方法及特征基因与沥青混合料性能的联系；最后，展望表征沥青混合料性能的代表性材料基因组体系、基因组数据库、共享平台及数据挖掘方法。
路面力学行为分析
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  考虑沥青路面材料参数空间差异性的解析计算及影响分析

  董泽蛟, 全蔚闻, 马宪永, 汪浩, 冷真

  中国公路学报. 2020, 33(10): 91-101. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.004

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  复杂服役环境下沥青路面的材料参数存在明显的空间差异性，具体表现为沿深度的模量梯度分布与非连续层间接触以及横观各向同性，实现其解析计算对现有的沥青路面力学响应分析及结构设计方法具有重要的参考价值。为此，从弹性力学基本方程出发，基于状态空间法，推导了具有指数模量梯度的横观各向同性弹性层状体系通解；在此基础上，基于波传递方法，将状态向量转换为波向量，并结合边界条件和层间条件，建立了考虑沥青路面材料参数差异性的多层路面结构解析解；然后借助MATLAB平台编制了数值计算程序，采用文献对比、BISAR程序以及有限元软件ABAQUS验证了该解析解的精度与效率；最后结合典型数值算例，阐述了该解析解在沥青Top-Down开裂和传统路面疲劳损伤分析中的应用。理论推导和数值计算结果表明：该解析解摆脱了弹性力学问题求解对应力函数的依赖性，并且借助波传播方法，避免了求解中正指数过大对求解精度的影响，并使得边界条件和不同层间接触关系的描述更加便捷；沥青路面材料参数的空间差异性不可忽视，沥青面层连续模量梯度会造成更大的路表拉应力和最大剪应力，进而加剧沥青路面的Top-Down开裂；而横观各向同性和层间接触状态间存在耦合效应，从而会加剧沥青路面的疲劳损伤。
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  长寿柔性基层沥青路面的极限应变

  王予红, 温永, 程怀磊, 孙立军, 朱晓旭

  中国公路学报. 2020, 33(10): 102-114. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.005

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  长寿柔性路面设计通常采用沥青层底极限拉应变和土基顶部极限压应变作为控制指标。现阶段极限应变指标参照室内试验结果确定，且数值相对固定。而现场路面结构层应变响应值受结构厚度、荷载、环境作用（温度及老化）等因素的影响，在服役过程中不断演化。以2条服役超过35年的柔性路面结构（屯门公路与吐露港公路）为基础，分析了不同服役阶段路面结构层在不同荷载、环境作用下的极限应变响应，探讨了柔性路面极限应变的大概范围。研究结果表明：在初始服役状态下，屯门公路高温状态下沥青层底的极限拉应变为376×10^-6，土基顶部极限压应变为562×10^-6；低温状态下上述极限应变分别降为87×10^-6，249×10^-6；吐露港公路高温状态下沥青层底、土基顶部极限应变分别为149×10^-6，324×10^-6，低温状态下上述应变分别降为50×10^-6，156×10^-6。在经过长期服役后，老化状态下2类路面沥青层底拉应变及土基顶部压应变均大幅降低。屯门公路在使用36年后，某些路段出现零星的疲劳破坏，而吐露港公路则没有发现疲劳破坏。极限应变计算结果表明，路面关键位置的应变受荷载、沥青层厚度、温度和沥青层老化状态等多因素的影响。因此，在进行长寿柔性基层路面设计中，荷载、沥青层厚度、温度及沥青层老化状态等因素都应该考虑在内。
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  基于耗散伪应变能的沥青疲劳动力学表征

  李辉, 罗雪, 张裕卿

  中国公路学报. 2020, 33(10): 115-124. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.006

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  沥青的开裂和塑性变形是疲劳损伤过程中的2个耦合子进程。为了分离沥青在疲劳损伤阶段的开裂子进程及塑性变形子进程及寻求疲劳损伤进程与2个子进程的关联特征指标，基于能量力学法及动力学理论研究沥青的疲劳损伤进程、开裂子进程及塑性变形子进程。首先采用能量力学法从沥青疲劳损伤阶段不同温度下的累积总耗散伪应变能（DPSE）分离出开裂导致的累积耗散伪应变能（DPSE_c）及塑性变形引起的累积耗散伪应变能（DPSE_p）；然后采用三参数模型来匹配沥青疲劳损伤进程、开裂及塑性变形子进程的耗散伪应变能，获得了能够定量描述能量耗散演变快慢的特征能量变化率；最后基于动力学理论建立沥青疲劳损伤阶段的特征能量变化率与温度的关系，并确定表征沥青疲劳损伤进程的动力学指标。结果表明：基质沥青及SBS改性沥青的DPSE，DPSE_c，DPSE_p的特征能量变化率与绝对温度倒数呈线性关系，DPSE_p的特征能量变化率随温度的增加而增加，而DPSE_c的特征能量变化率随温度的增加而减小，其原因是随着温度的升高，沥青塑性变形发展变快，而开裂则减缓；SBS改性沥青疲劳损伤进程、开裂子进程及塑性变形子进程的活化能（163.9，70.1，91.6 kJ·mol^-1）均大于基质沥青相应进程的活化能（94.0，47.0，45.8 kJ·mol^-1），这表明SBS改性沥青抗开裂性能及抗永久变形性能均好于基质沥青；此外，SBS改性沥青及基质沥青疲劳损伤进程的总活化能等于开裂子进程及塑性变形子进程的活化能之和。因此，可通过活化能这一动力学指标将沥青疲劳损伤进程、开裂子进程与塑性变形子进程进行关联。
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  移动轴载作用下路面沥青层动态响应模量主曲线研究

  程怀磊, 李斌, 刘黎萍, 孙立军

  中国公路学报. 2020, 33(10): 125-134. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.007

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  路面沥青混合料层的模量是路面设计的必要参数之一，为定量分析现场沥青层的实际模量特性，提出了一种由现场实测应变数据出发，确定沥青层动态响应模量主曲线的方法，实现了对沥青层现场动态特性的精准表达。首先，实测了柔性基层、半刚性基层2类典型沥青路面不同温度及轴载移动速度下的沥青层动态应变响应；其次，以实测应变波形为基础，分析了不同加载工况下的现场沥青层加载频率特征；最后，基于实测应变值，利用有限元模型反演得到沥青层的动态响应模量，结合沥青层加载频率，建立了沥青层动态响应模量主曲线，并进一步对该主曲线的可靠性进行了验证。研究结果表明：沥青层内部加载频率与轴载移动速度呈正比，且与温度正相关；沥青层现场动态响应模量值随温度升高显著减小，随轴载移动速度增大而增大；结合加载频率及响应模量反演结果，可利用Sigmoidal模型很好地拟合得到沥青层响应模量主曲线；验证结果表明，该主曲线可较为准确地预估其他温度及轴载移动速度下的沥青层响应模量值。所提出的确定沥青层动态响应模量主曲线的方法可为其他试验路应变实测数据的处理提供参考。
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  横观各向同性黏弹性沥青路面动力响应解析解

  马宪永, 全蔚闻, 董泽蛟

  中国公路学报. 2020, 33(10): 135-145. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.008

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  主要推导三向移动荷载作用下考虑复杂层间接触状态的横观各向同性黏弹性沥青路面动力响应解析解。首先，从直角坐标系下横观各向同性黏弹性多层体系动力学问题的基本方程出发，借助相对坐标变换和Fourier变换，推导单层沿深度方向的波数域状态向量传递矩阵；其次，基于波传递方法，构造层顶下行波和层底上行波向量，以消除传递矩阵中的正指数项，保证数值计算的稳定性；而后，基于Goodman模型表征的层间接触条件，建立相邻层上、下行波向量的递归关系，并结合荷载和边界条件，对多层体系各层上、下行波向量进行求解；最后，通过Fourier逆变换和相对坐标逆变换，得到沥青路面任意坐标和时刻下的动力响应解析解，并编制数值计算程序。通过ABAQUS有限元模拟，验证了解析解的准确性，且证明了解析解的计算效率远优于有限元模拟；综合分析荷载、材料、层间接触对沥青路面动力响应的影响，可以发现：水平向荷载与路表剪应力关联性强，是导致路面Top-down开裂的重要因素；层间接触条件和横观各向同性均对面层底部水平向应变影响显著，且这2个因素之间存在耦合效应，建议在路面疲劳寿命分析中予以充分考虑。研究得到的解析解可为真实沥青路面力学行为研究提供高效准确的分析工具。
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  基于离散-连续耦合的落锤-路面动态相互作用研究

  刘玉, 赵谟涵, 吴超凡, 武红娟, 龚芳媛, 苏沛丰, 胡迟春

  中国公路学报. 2020, 33(10): 146-158. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.009

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  落锤冲击是一种典型的中低速碰撞，也是现今工程技术中的重要力学问题。在公路工程领域，一方面利用落锤产生的巨大瞬时冲击力达到压实、加固、微裂、破碎、检测等目的，另一方面是避免过大的冲击力对结构物产生破坏作用。为了探索落锤-路面动态相互作用规律，基于PFC5.0 Suite和FLAC3D构建了离散-连续耦合模型，模拟无损和有损状态下水泥路面板承受落锤冲击过程中加速度的变化规律。通过路面无损状态下的仿真结果分析发现：①落锤冲击加速度曲线拥有多个波峰和波谷，且均与路面和落锤参数具有相关性；②冲击加速度峰值与落锤高度和水泥板模量正相关，而与落锤质量负相关；③落锤高度对冲击持续时间影响不大，而落锤质量将显著增长冲击持续时间。通过路面有损状态下的仿真结果分析，发现：①冲击加速度曲线特征点与路面破损状态密切相关；②随着水泥面板破损程度增大，冲击加速度值整体减小，冲击持续时间延长；③落锤高度和质量对路面破损模式的影响差异较大，前者主要引起表面破损，而后者主要引起底部破损。研究认为：落锤冲击加速度特征值与路面破损程度和破损模式之间存在密切的关联，相关研究结果可用于路面破损检测、破碎或微裂状态评价等实际工程中，同时也可为工程器械的改进和研发提供基础支撑。
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  湿滑条件下基于真实纹理道面的机轮着陆滑水行为解析

  朱兴一, 庞亚凤, 杨健, 赵鸿铎

  中国公路学报. 2020, 33(10): 159-170. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.010

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  湿滑条件下的着陆滑跑是航空事故的高发区。为较为真实地反映湿滑条件下机轮的滑跑行为，需要建立包含真实道面纹理特征的滑跑模型。在提取真实道面形貌特征的基础上，通过解析湿滑条件下的机轮滑跑行为进一步反算其遵循的摩擦关系，以获得更加接近真实条件的摩擦模型；然后运用欧拉-拉格朗日（CEL）算法建立基于真实纹理形貌特征的道面-水膜-轮组的流固耦合模型，以摩擦因数、动水压力为分析指标来探讨速度、滑移率、水膜厚度以及道面类型对机轮滑水行为的作用规律，进而为提高飞机着陆的安全性提供理论参考。研究结果表明：A320型飞机着陆可能滑漂的危险区段为刚刚着陆阶段，随着速度的降低，道面支撑力会逐渐增大，而动水压力将逐渐减小；随着滑移率的增加，动水压力呈现出先减小后增大的趋势，当滑移率为0.15时，动水压力达到最小；关于水膜厚度的影响，水膜厚度小于3 mm时不会发生滑漂，而水膜厚度大于10 mm时极可能发生滑漂；当水膜厚度为7 mm时动水压力与飞机滑行速度、滑移率的相关性较大，可视为机轮发生滑漂的临界状态；最后，在其他条件一致的情况下，各道面类型的抗滑性排序为SMA > OGFC > AC > 平滑道面。因此，湿滑条件下，控制飞机着陆的初始速度和滑移率是减小航空事故、提高机场安全运行的有力保障。
路面材料多尺度表征
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  基于原子力显微镜的沥青微观损伤机理分析

  单丽岩, 张恩浩, 刘爽, 徐洪亮, 谭忆秋

  中国公路学报. 2020, 33(10): 171-177. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.011

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  为揭示微观尺度下沥青的损伤机理，采用原子力显微镜（AFM）对基质沥青及SBS改性沥青进行了测试分析。首先设计了一款AFM原位拉伸试验装置；然后，结合AFM原位拉伸试验测试了拉伸荷载作用下沥青表面不同微观结构及其力学性能；基于形貌测试结果和ABAQUS软件建立了沥青的二维有限元模型，分析了拉伸荷载作用下沥青表面的应力分布；最后，结合AFM测试结果和有限元模拟结果分析了沥青的微观损伤机理。研究结果表明：所研究的基质沥青表面存在3种微观结构，即蜂状结构、蜂壳结构和间隙结构，SBS改性沥青无明显蜂壳结构；间隙结构抗变形能力最弱，蜂状结构抗变形能力最强；SBS改性剂的加入降低了沥青表面的应力，且使应力分布更均匀；拉伸荷载作用下，沥青表面会出现相分离，随着荷载增大相分离现象加剧，相分离出现在沥青表面应力最大处；拉伸荷载作用下沥青的损伤演化过程中，沥青应力较大的间隙结构首先出现相分离，随着荷载增加，相分离不断加剧直至微裂纹产生。
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  基于分子动力学的相变微胶囊与沥青相容性及增强机理研究

  任永祥, 郝培文, 赵超志, 仵涛, 李德文

  中国公路学报. 2020, 33(10): 178-191. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.012

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  微胶囊法是相变材料（PCM）封装的一种重要手段，为了改善加入相变微胶囊后沥青路面的低温性能，采用分子动力学方法，对相变微胶囊的相变机制、与沥青共混后的相容性和抗拉强度等进行模拟分析。对沥青四组分（As，R，S，Ar）、三聚氰胺甲醛树脂（MF）、沥青四组分与MF共混体系、沥青四组分与石墨烯（CG）共混体系、MF与CG共混体系、沥青体系、沥青与MF共混体系、沥青与CG共混体系等17个分子体系分别进行了溶度参数和内聚能密度计算，分析了MF，CG与沥青四组分之间的相容性变化规律，评价了MF，CG对沥青四组分抗拉强度的影响。对以MF为壁材、正十四烷为芯材的3种不同微观结构PCM分子模型和以石墨烯复合三聚氰胺甲醛树脂（CGMF）为壁材、正十四烷为芯材的2种不同微观结构PCM分子模型进行了升温过程相变性能模拟研究，分析了壁材厚度、芯材体积大小对PCM相变性能的影响，并比较了不同种类壁材PCM的热效率。通过对CGMF为壁材的PCM降温过程的相变性能模拟研究，进一步分析了CG对PCM热效率的影响。研究结果表明：采用CGMF为壁材制备PCM，可以提升PCM的热效率，CGMFPCM2031的能量效率比MFPCM2026平均增加141.15%，在沥青体系中加入CGMF为壁材的PCM，可以提高沥青组分之间的相容性和抗拉强度，有利于增强沥青体系的低温抗裂性能。
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  沥青混合料自愈合性能与砂浆厚度分布特征关系

  蒋继望, 冷真, 董泽蛟, 倪富健

  中国公路学报. 2020, 33(10): 192-200. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.013

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  沥青混合料自愈合行为与沥青砂浆的细观分布特征关系密切，但目前相关判据不足。为此，采用数字图像处理技术定量表征沥青砂浆的细观结构，并分析其与混合料自愈合行为的关系。首先，优化沥青混合料砂浆厚度计算的方法，提出基于图像分析的砂浆平均厚度T_m和砂浆厚度分布标准偏差S_Dt指标；其次，对6种不同沥青混合料砂浆的二维图像进行统计分析，验证细观砂浆厚度参数的有效性；最后，通过有无间歇时间的半圆弯曲疲劳试验获取沥青混合料的自愈合指数H，并进行宏细观指标的相关性分析。结果表明：级配类型和最大公称粒径均对沥青砂浆的空间分布有重要影响；矿料间隙率（VMA）和沥青饱和度（VFA）与砂浆细观参数之间不存在明显相关关系，证实了宏观体积参数在表征沥青砂浆细观分布特征方面的不足；沥青混合料的自愈合指数同时受砂浆平均厚度和空间分布均匀性的影响；综合指标T_m/S_Dt与宏观愈合指数H之间有很好的相关性，可以有效表征沥青混合料的自愈合效率。
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  粗集料接触参数对沥青混合料损伤演化的影响

  牛冬瑜, 谢希望, 牛艳辉, 盛燕萍, 孟建党, 杜亚志

  中国公路学报. 2020, 33(10): 201-209. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.014

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  为了揭示沥青混合料内部细观损伤对宏观性能的影响，基于DIC方法与四点弯曲疲劳试验，对不同粗集料接触状态的混合料细观损伤尺度效应进行研究。首先以颗粒堆积理论与粒子干涉理论为基础，提出可表征细观主骨架结构状态的颗粒接触主力链配位参数（n_pfc）计算方法。采用SAC设计方法，通过控制关键筛孔2.36~4.75 mm的分计筛余质量百分比，设计4组可反映不同粒径尺寸集料组合形式的SAC16级配（B60S00~B60S15），计算不同级配沥青混合料对应的npfc。其次，结合DIC方法与四点弯曲疲劳试验，分析疲劳荷载作用下沥青混合料小梁试件水平应变场演化特征，并提出混合料疲劳损伤因子定量分析方法。最后对不同粗集料接触参数的沥青混合料的细观损伤演化特征、疲劳损伤因子D_FD及表征宏观抗疲劳性能的K_m进行分析。研究结果表明：随着疲劳荷载作用次数的增加，4种不同n_pfc混合料的水平应变量逐渐增大，各D_FD也均显著增加；随着n_pfc的增大，D_FD明显减小，当n_pfc=7.73~9.55时，D_FD较小，混合料的疲劳细观尺度损伤叠加效应较小；同时，随着n_pfc增加，K_m呈先增大后略微减小的趋势；当n_pfc=7.73~9.55时，对应的宏观抗疲劳性能较好；因此，选取合理的n_pfc可优化沥青混合料内部主骨架细观结构状态，减少细观尺度损伤叠加效应影响，提高沥青混合料的宏观抗疲劳性能。
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  沥青混合料三维空隙形态特征评价方法及分析

  徐慧宁, 石浩, 谭忆秋

  中国公路学报. 2020, 33(10): 210-220. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.015

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  为了给沥青混合料细观特征研究提供空隙特性评价方法，实现空隙三维形态特征的描述，基于X-ray CT技术提取了沥青混合料空隙的三维结构，以空隙断面形心作为骨架节点，构建了三维空隙骨架模型；以骨架走向和断面形状为主要评价对象，建立了空隙形态特征的评价方法，提出了垂面内方向角、相邻垂面夹角、断面圆度以及断面丰度作为空隙形态的评价指标；以实验室成型的沥青混合料试件为研究对象，指明了空隙尺度、成型条件以及混合料级配（包括AC，SMA以及OGFC级配）对空隙空间形态的影响规律。结果表明：空隙形态特征评价方法可以反映空隙的三维形貌；空隙体积小于5 mm³的微细空隙接近于椭球形，大于5 mm³的结构空隙不规则程度较大；沥青混合料的成型方式与压实程度对空隙的形态特征无显著影响，其特征值分布曲线的均方根偏差均低于1.2%；OGFC级配下微细空隙相较其他2种级配更加圆润，丰度为0.9~1.1处的分布频率比其他2种级配高出19.2%，圆度在大于5区间的分布频率高出14.9%；结构空隙中，AC级配的垂面内方向角分布曲线在80°~90°区间内高出OGFC级配5.3%；AC级配的空隙骨架最为迂曲，不规则性最强，而OGFC级配的空隙骨架比较顺直。
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  基于界面剪切试验的沥青混合料集料切向弹性刚度研究

  蔡旭, 张睿达, 陈莉, 李智

  中国公路学报. 2020, 33(10): 221-229. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.016

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  目前仍缺乏沥青混合料颗粒接触界面参数的有效获取方法，导致基于离散元法的沥青混合料数值分析手段无法精确模拟材料的力学行为。针对"切向弹性刚度"参数无法准确获取的难题，基于自主开发的"沥青混合料颗粒剪切分析系统"开展沥青混合料的颗粒界面剪切试验研究，确定合理试验参数。在此基础上开展3种级配和3种集料的沥青混合料单轴贯入试验，分析不同试验方法得到的剪切模量相关性。试验结果表明：在60℃试验温度和0.02 mm·s^-1剪切速度条件下可获得较为稳定的试验结果；剪切应力曲线表现出典型的"预剪切阶段"、"剪切稳定阶段"和"剪切破坏阶段"三段式增长；级配对界面剪切力有显著影响，AC-13、SMA-13和OGFC-13混合料的峰值均值分别约为100，50，90 N；同一级配下，采用玻璃珠和铁珠的混合料的界面剪切力分别为75，70 N；集料的材料类型是影响界面切向弹性刚度的关键因素，采用玻璃珠和铁珠的界面切向弹性刚度分别是0.17×10⁶ N·m^-1和0.22×10⁶ N·m^-1，而花岗岩集料则达到0.66×10⁶ N·m^-1以上；贯入试验结果表明级配和集料类型决定了混合料的剪切模量大小，采用花岗岩集料的AC-13型混合料的剪切模量达到18.88 MPa，OGFC-13混合料最小，仅为8.95 MPa；界面剪切试验得到的剪切模量与贯入试验结果的相关系数达0.89。所提出的集料接触界面剪切试验可分辨级配和集料类型对切向弹性刚度的影响。
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  考虑初始缺陷的水泥基复合材料细观开裂研究

  赵晓康, 董侨, 陈雪琴, 顾兴宇, 王丽园

  中国公路学报. 2020, 33(10): 230-239. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.017

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  为了研究微观初始缺陷对水泥稳定碎石基层材料（CTB）细观开裂的影响，基于离散元法（DEM）和随机算法构建了细观非均质随机骨料数值模型，结合参数反演确定了模型细观参数，并引入裂隙网络（DFN）来表征水泥砂浆内部的微观初始缺陷。通过虚拟半圆弯曲（SCB）试验模拟了细观开裂过程，比较分析了数值模拟结果和试验结果，并进一步研究了裂隙密度和宽度对结构细观开裂的影响。结果表明：细观断裂模型的数值模拟结果和试验结果基本吻合，模型能较好地表征细观随机开裂行为；材料的宏观开裂是由于细观损伤的累积导致，宏观裂纹的产生经历了平稳扩展和快速贯通的过程；张力是裂纹演化的驱动力，裂纹通常沿着砂浆与骨料的界面薄弱区进行扩展；微观缺陷显著影响水泥基材料的力学性能和断裂行为，初始裂隙通过诱导微裂纹的扩展与贯穿，降低结构整体强度，但是在一定程度上增大了结构的容许形变，其中20~40 m·m^-2的裂隙密度和0.3~0.45 mm的裂隙宽度对材料强度影响最为显著，施工过程中合理控制裂隙密度和宽度对于提高材料抗裂能力有益。所构建的细观模型可以很好地捕捉微裂纹的扩展和贯穿过程，能够实现对细观断裂的精确模拟，为探索水泥基复合材料的破坏过程和机理提供了一种新的研究手段。
绿色铺装材料与先进测试方法
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  路用聚氨酯胶结料的抗紫外老化性能

  洪斌, 陆国阳, 高峻凌, 王川和, 王大为

  中国公路学报. 2020, 33(10): 240-253. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.018

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  路用聚氨酯（PU）胶结料在工程应用中不可避免地会遭受紫外照射的影响。为此，采用紫外老化试验箱模拟自然老化过程，以影响路用性能的拉伸性能和黏弹性（基于温度扫描和频率扫描的动态热力学性能）为评价指标，研究老化下路用PU胶结料性能的演化规律，并通过红外光谱和电子扫描显微镜揭示其老化机理；同时，通过调整PU的组分配比（多元醇/异氰酸酯的质量比为100/80，100/65，分别记为PU-Ⅰ，PU-Ⅱ），揭示不同异氰酸酯组分含量对PU紫外老化性能的影响规律与机理。试验表明：紫外老化对PU拉伸强度和断裂伸长率的影响主要表现在老化前期，老化中后期性能保持相对稳定甚至有所回升，如PU-Ⅰ的残余强度在老化28 d后恢复至98.8%；紫外老化并未明显降低PU的拉伸模量，反而提高了其拉伸模量，如老化28 d后PU-Ⅰ的拉伸模量提升了近一倍；紫外老化提高了PU的储能模量和玻璃化转变温度（T_g），增大了低频区PU的复数模量和黏弹比，降低了中高频区PU的复数模量和黏弹比，特别是PU-Ⅰ。上述PU性能的演化机理主要包括塑化、分子链断裂和物化交联，其中物化交联主要包括较强氢键形成而产生的物理交联、后固化以及水分子与未反应的-N=C=O官能团反应而引起的化学交联；异氰酸酯含量的适当增加，增强了物化交联作用，可以提高PU的抗老化能力。总之，研究成果为PU胶结料在道路工程领域中的应用奠定了一定的基础。
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  就地热再生沥青混合料均匀性的细观评价指标

  李雪连, 崔之靖, 吕新潮, 宁佐飞

  中国公路学报. 2020, 33(10): 254-264. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.019

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  就地热再生能直接在现场一次性完成路面修复，但因其材料组成和施工工艺复杂等极易出现混合料不均匀问题，为解决此问题，尝试从集料入手，对就地热再生沥青混合料均匀性的评价指标进行研究。首先，采用数码相机获取就地热再生沥青混合料试件截面的数字图像，基于数字图像处理技术识别截面中所有新旧集料的细观结构；然后，采用环扇分割法将截面分成36个等面积区域，基于区域集料颗粒面积比和新集料颗粒偏离度分别提出集料均匀性评价指标D和新集料均匀性评价指标H；最后，通过改变RAP加热温度、RAP拌和时间、新沥青混合料拌和温度与新旧料混合时间4个因素，进行正交试验，进一步分析均匀性指标的变化规律和可靠性。结果表明：环形分区结合OTSU阈值分割方法可准确识别沥青混合料截面图像中的集料信息，保留绿色通道的方法可有效识别不同灰度值的新旧集料；对试件截面均匀性的定性分析初步验证了这2个均匀性指标的有效性；RAP加热温度与新沥青混合料拌和温度对D影响显著，RAP加热温度和新旧料混合时间对H影响显著；而且，随着RAP加热温度、新沥青混合料温度和新旧料混合时间的增加，就地热再生混合料的均匀性变好，这与以往的研究结论相一致，进一步验证了这2个均匀性评价指标的可靠性。
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  基于DIC技术的老化作用下温拌胶粉改性沥青胶浆低温抗裂性能研究

  王岚, 单鸣宇, 常春清

  中国公路学报. 2020, 33(10): 265-275. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.020

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  沥青胶浆对沥青混合料性能具有重要影响。为研究热氧老化作用对温拌胶粉改性沥青胶浆（WCRM）低温抗裂性能的影响，以热拌胶粉改性沥青胶浆（HCRM）作为对比试件，采用数字图像相关（DIC）技术对单边切口弯曲梁试验（SENB）中2种试件的开裂全过程进行图像采集，利用Vic-3D软件计算加载过程中试件的水平应变，从宏细观相结合的角度定量分析沥青胶浆的抗裂性能。对比分析沥青胶浆的荷载-位移（L-D）曲线和水平应变-时间（E_xx-t）曲线，通过在细观尺度下胶粉改性沥青胶浆裂纹萌生和发展的规律来解释沥青胶浆宏观力学行为。通过弯曲梁流变试验（BBR）分析老化前后WCRM和HCRM的低温流变性能，并对沥青胶浆低温性能评价指标进行相关性分析。结果表明：随热氧老化程度的加深，HCRM和WCRM的水平应变密度D_E值（细观层面）和临界断裂韧度J_IC值（宏观层面）均减小，证明热氧老化会降低2种胶粉改性沥青胶浆的抗裂性能；相同条件下，WCRM的D_E值和J_IC值均大于HCRM，即与HCRM相比，WCRM具有更好的抗开裂和抗老化性能；在沥青胶浆开裂过程中，微裂纹形成时的荷载、峰值荷载及最大水平应变对应荷载并非同一荷载值；老化后，2种胶粉改性沥青胶浆的低温流变性能降低，同一条件下，WCRM具有更加优异的低温流变性能；沥青胶浆低温流变参数（S/m）与宏细观开裂指标（J_IC，D_E）均具有较好的相关性，即将DIC技术应用到SENB试验来分析老化作用及温拌剂对胶粉改性沥青胶浆宏细观开裂特性的影响具有较好的可靠性。
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  道路沥青材料VOCs的指纹组分及其定量分析

  肖月, 常郗文, 董前坤, 尤占平

  中国公路学报. 2020, 33(10): 276-287. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.021

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  深入开展沥青材料环境影响规律研究，是加快推进交通运输污染防治和绿色交通发展的重要手段之一。针对热拌沥青材料在使用过程中挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）释放量小、组分复杂且材料来源和环境因素依赖性强等难以定量表征的科学问题，开展包括不同沥青材料间VOCs公共组分、特有组分和超微量组分的VOCs全组分的特征研究。综合共计80种沥青材料的VOCs组分特征，提出并定义沥青材料VOCs的指纹组分。基于指纹组分的释放量-色谱峰面积的绘制，分别构建沥青材料VOCs中单一组分释放量和VOCs释放总量的计算方程。研究结果表明：不同沥青材料的VOCs释放差异显著，其组分信息和对应释放量均存在很强的原材料来源依赖性；沥青VOCs的指纹组分具有色谱峰面积大、组分纯、毒性强等特点，包括2-甲基戊烷、正己烷、3-甲基己烷、庚烷、2-甲基庚烷、丙酮、甲基丙烯醛、正丁醛、异戊醛、苯、甲苯和二硫化碳这12种物质；该系列指纹组分能够用于沥青材料VOCs的单一组分释放量和总释放量的快速准确分析；70A沥青、70B沥青、90A沥青、90B沥青和SBS改性沥青在160℃加热条件下的VOCs释放总量分别为4.42，3.32，2.52，2.29，1.88 μg·g^-1，其中指纹组分的总释放量分别为3.00，2.33，2.01，1.75，1.44 μg·g^-1；70号沥青中释放量最多的物质包括正己烷、2-甲基戊烷和庚烷，其释放量均大于0.40 μg·g^-1；90号沥青和SBS改性沥青中，释放最多的物质为正丁醛，其中90A沥青中正丁醛的释放量高达0.76 μg·g^-1。
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  基于卷积自编码的沥青路面目标与裂缝智能识别

  侯越, 陈逸涵, 顾兴宇, 茅荃, 曹丹丹, WANG Lin-bing, 荆鹏

  中国公路学报. 2020, 33(10): 288-303. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.022

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  目前基于深度学习的路面裂缝识别经常面临训练数据集小，以及路面图片标注成本高等问题，基于小规模路面图片数据集，利用卷积自编码（CAE）方法进行数据增强，开展包括路面裂缝在内的路面目标智能化识别方法研究。在传统图像几何变换数据增强的基础上，采用CAE重构图片方法对原始数据集进行两步骤扩增；利用卷积神经网络DenseNet，设置了不同数据扩增方法的对比试验；针对沥青路面裂缝图片背景较黑，裂缝特征不清晰，无监督聚类学习难度大等问题，采用了一种基于CAE预训练的深度聚类算法DCEC，对经数据增强的路面图片进行无标注的聚类识别。研究结果表明：经过DenseNet网络100代的训练，在同一测试集的测试下，基于原始数据集训练的网络分类准确度为78.43%，利用传统图像处理方法进行扩增后准确度为83.44%，利用所提出的图片增强方法进行数据扩增后准确度达87.19%；在保持扩增后数据集样本量大小相同的情况下，与几何变换、像素颜色变换等经典数据增强手段相比，CAE重构图片的数据扩增方法有较高的路面图片识别精度；CAE数据扩增方法较受训练数据集样本量的影响，利用传统方法将数据集扩增后进行CAE特征学习，重构后的图片样本更易被机器识别；相较于传统机器学习聚类算法，所提出的的DCEC深度聚类方法将聚类准确率提升了约10%，初步实现了无需人工标注的路面目标的端到端智能识别。
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  沥青面层模量的检测与损伤分析

  李伊, 孙立军, 胡玥, 李佳豪

  中国公路学报. 2020, 33(10): 304-315. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.023

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  为了合理分析沥青面层在重复荷载作用下的损伤发展过程，针对沥青面层进行了模量检测，采用沥青面层模量衰变量与沥青面层无损状态下模量的比值来反映损伤程度，并对该损伤随荷载作用次数的演化过程进行了分析研究。研究通过足尺加速加载试验来模拟重复的车辆荷载作用；采用落锤式弯沉仪（FWD）、便携式地震波路面分析仪（PSPA）和单轴压缩动态模量试验来获取非加载区沥青面层无损状态下的模量；采用PSPA来获得加载区沥青面层不同损伤状态下的模量；计算得到模量衰变量与无损状态下模量的比值；分析沥青面层的损伤演化过程，建立起沥青面层非线性损伤演化模型，对沥青面层各深度处损伤发展的快慢进行分析。研究结果表明：可利用S形模量主曲线将各试验所得的无损模量进行统一，现场检测手段获得的模量分析结果符合室内动态主曲线的预测结果；同时，损伤演化模型中的寿命因子可用于判断沥青面层损伤发展的快慢；对该参数进行归一化处理发现，轮迹带外边缘和轮隙中心在垂直于行车方向上的损伤随深度的增加而减缓，而在轮迹带其他位置和方向上，沥青层层中的损伤发展最快。借助所建立的非线性损伤演化模型，可为沥青层的损伤发展提供判断依据，并为优化养护时机和养护策略打下基础。
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  沥青混凝土超声波检测的衰减特征与影响因素研究

  顾兴宇, 李树伟, 董侨, 徐向荣, 徐大伟, 章天杰

  中国公路学报. 2020, 33(10): 316-326. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2020.10.024

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  为有效获得沥青混凝土的超声波检测结果，基于压电换能器模拟和沥青砂浆Burgers黏弹性模型，建立三相介质的沥青混凝土有限元模型，在20~100 kHz频段范围内，比较9种入射频率下沥青混凝土中超声波细观的衰减特征及宏观的振幅变化，分析3种集料粒径（13.2，19.0，26.5 mm）及不同温度（-10℃~60℃）对沥青混凝土中超声波衰减的影响；针对数值模拟结果，使用超声横波成像仪MIRA-A1040进行室内试验验证，研究9种入射频率下实测振幅和断面重构图的衰减规律。研究结果表明：当温度为20℃时，在频段20~100 kHz内，入射频率每升高10 kHz，反射波振幅线性降低约3 dB；随着入射频率的升高，沥青砂浆中声压等值线的规则性、连续性及试件断面重构图的辨识度均大致呈线性降低趋势；当入射频率和温度不变时，集料粒径引起的散射衰减会引起振幅小幅度的降低；当集料粒径不变时，影响振幅降低速率的主要因素是温度，本质为沥青砂浆黏弹性引起的吸收衰减；以入射频率为30 kHz的沥青混凝土AC-13为例，温度每升高10℃，振幅约线性降低5 dB；2种衰减综合决定了反射波振幅的数值；沥青混凝土检测的入射频率不宜超过60 kHz，温度不宜超过40℃；用于沥青路面面层的检测时，建议入射频率范围为20~60 kHz；较低的入射频率与温度有利于沥青混凝土的超声波检测。