本文是一篇结构工程论文，本文通过半圆弯曲（SCB）试验，分析了干湿循环作用下沥青混合料不同断裂模式的临界应力强度因子 Keff和临界断裂能 GF，通过 Keff和 GF两个指标研究了不同温度、不同的干湿循环次数对沥青混合料抗裂性能的影响，并通过 MTS 准则、GMTS 准则分析了不同干湿循环作用下起裂角度的变化规律。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
沥青路面长期裸露在自然环境下会受到多种因素的影响，其中温度、交通荷载和降雨是影响沥青路面产生开裂的重要原因，国内外研究人员基于断裂力学理论研究了沥青混合料的抗裂性能，根据裂纹面的受力和断裂特性，将裂纹分为三种类型[1,2]：I 型（张开型）、II 型（滑开型）、III 型（撕开型）[3]、目前，研究人员对沥青混凝土的断裂行为的研究主要集中在 I 型的开裂，事实上，对于我国雨季较长且雨量较大的部分地区，降雨也成为了沥青路面开裂的原因之一。因而，在研究沥青路面的开裂问题时，应考虑降水对沥青混合料开裂的影响。
在沥青混合料抗裂性评价方面，预制切缝小梁弯曲试验[4]、间接拉伸试验[5,6]和半圆弯曲试验(SCB)[7-9]通常用于研究不同模式的断裂特性。本文通过分析不同实验方法的优缺点确定了以带切口的半圆弯曲实验作为评价沥青混合料抗裂性能的实验方法，通过分析了不同干湿循环次数下的不同断裂模式（I 型、II 型和 I/II 型）的临界应力强度因子 Keff和临界断裂能 GF，研究干湿循环对沥青混合料混合断裂性能的影响。
因此，本文在现有基础上，依托国家自然科学基金项目(51508150)：“水-力-热耦合作用下沥青混凝土细观损伤机理研究”，通过非对称半圆弯拉试验分析干湿循环后沥青混合料的混合断裂特性，力求确定干湿循环对混合料抗裂性的影响。
......................
1.2 国内外现状
1.2.1 水对沥青混合料抗裂性影响
沥青路面具有许多优点，如平整、耐磨、驾驶舒适性。因此，已经在我国道路建设中得到了广泛的应用，然而，沥青路面在水或干湿循环作用下，车辆在行驶过程中沥青路面中的水不断产生动水压力，使水进入到沥青-集料界面处，使沥青膜从集料表面逐渐脱落，最终损坏沥青路面。目前沥青路面有两种水损害形成机理：第一种是粘结力的损失；第二种是粘附性的损失。
（1）粘附性损失理论：从热力学可以看出，沥青和骨料之间的粘结力相对于骨料和水之间的粘附性较小，这是由于骨料和水之间粘附性的热力值明显高于沥青和骨料之间粘结力，水若进入到沥青混合料内部，必然造成沥青膜的剥落。
（2）粘结力损失理论：在满足规范要求的沥青路面中，粘结力通常表现在由外部载荷通过后沥青路面的整体性，可以通过稳定性试验等来确定其粘结力[10]。
目前，国内外研究人员针对水损害现象的研究作出了许多的努力，宁晓霞[11]虽然分析了干湿循环对沥青混合料中低温力学性能的影响，但只研究了 I 型断裂模式，并未对 I/II 混合模式和纯 II 型断裂模式进行研究。
张强[12]通过流体力学理论，分析了沥青路面孔隙内经过水损害后最可能出现的损害位置。结果表明，压强最大的地方出现在出口的孔隙和壁面连接处，此处更容易受到行车荷载和水的共同作用而发生破坏，在车辆荷载和水共同作用下，最易损坏的位置会发生在孔隙的底部。
秦康康[13]等模拟沥青路面的三种浸水状态，通过马歇尔稳定度及质量损失率试验，分析了沥青路面在三种浸水状态下的稳定性和沥青混合料的破坏形式。结果表明，饱水状态下路面破坏的影响程度要高于处于干湿循环和无水状态下的路面，干湿循环作用主要为细集料的磨损而产生的网裂，而饱水状态下主要为孔隙水压对路面结构的破坏而产生的坑槽。
杨世胜[14]研究了沥青混合料路面在不同浸水状态下的损坏。通过马歇尔稳定度试验，分析了水损坏特性。结果表明，水损害程度的大小与车流量、浸水状态和温度密切相关，水损害程度决定着沥青混合料路面的面层破坏速度和破坏程度。
武学科[15]利用低温弯曲试验，采用应变、劲度模量和应变能三个评价指标，分析了水对不同级配沥青混凝土低温性能的影响。结果表明，在四种级配的沥青混凝土中，有三种级配的弯曲应变和抗弯强度高于未经水处理的沥青混凝土，经过水处理后的沥青混凝土的低温变形能力降低，说明水会使沥青混凝土的低温抗裂性降低。
......................
第 2 章 原材料及试验方案
2.1 原材料性能指标
2.1.1 沥青
本研究所用沥青为 AH-70#道路石油沥青，试验方法按照现行的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG-E20-2011）的规定执行，其各项基本性质列于表2-1 中。
2.1.2 集料
集料为优质玄武岩，经测试各项技术指标均符合《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005），中的相关要求，试验结果如表 2-2 所示。
..........................
2.2 干湿循环试验设计
本试验通过对 SCB 试件设置不同的浸水时间模拟不同地区的降水历时，同时通过调整支座位置和 SCB 试件的切缝位置模拟了不同断裂模式，分析在-10℃和20℃下的沥青混合料的抗裂性能。
降雨历时的选取主要依据全国不同地区降水历史的统计值，参照已有的试验方案[11]，设置试件总浸水时间均为 288 小时，并将 SCB 试件的浸水时间分为 5 组，每次浸水时间分别为 12 小时，24 小时，48 小时，96 小时和 288 小时，因此，对应的干湿循环次数分别为 24 次，12 次，6 次，3 次和 1 次，并设置未浸水的对照组。
本论文试验的具体步骤为：首先，对集料、矿粉、进行称重，并在 160℃的烘箱中放置 6 小时，把集料放入拌合机中进行搅拌，拌合机的温度控制在 160℃。之后放入沥青并充分搅拌，使得沥青更加均匀的分布在骨料上。之后加入矿粉进行第二次搅拌，再将搅拌均匀的沥青混合料放入击实仪试模中击实，根据 JTGE20-2011[47]，马歇尔试件两面应各击实 112 次。将放置 24 小时以上的试件进行脱模，之后把尺寸为 152.4mm×95.3mm 的马歇尔试件切割成 4 个 SCB 试件，SCB 试件的物理性质如表 2-4 所示：
.............................
第 3 章 断裂力学的基本理论.........................19
3.1 断裂力学的基本假定和应用范围...................................19
3.2 开裂模式分类................................19
第 4 章 干湿循环对沥青混合料临界应力强度因子的影响.............25
4.1 干湿循环作用下吸水率的相关性分析..............25
4.2 干湿循环作用下不同加载模式 Keff的变化规律.....................26
第 5 章 干湿循环对沥青混合料临界断裂能的影响...............................33
5.1 根据实验计算断裂能 Gf....................................33
5.2 临界断裂能 GF计算方法.......................34
第 7 章 不同断裂模式下裂缝扩展特点分析
7.1 DIC 技术的基本原理及图像处理
数字图像散斑（Digital Image Correlation, DIC）技术是通过工业相机采集试件变形前后的图像，分析图像变形前后的灰度值来得到对应的位移变化，本文所用的DIC 分析软件为 Ncorr，它是关于二维图像的 MATLAB 程序。Ncorr 使用了许多新的二维 DIC 算法，包含用于图形创建的绘图工具。图形用户界面主要通过 m 代码编写，对于计算密集的算法使用 C++/MEX 进行优化，提供了一个便捷、高效、灵活的 DIC 程序。
通过 DIC 技术使用 Ncorr 软件可以实时监测试样破坏过程中裂纹的发生和扩展，并可以实时监测沥青混凝土裂缝尖端的断裂过程等信息。本文基于 DIC 技术，利用 SCB 试验分析了不同干湿循环次数作用下沥青混凝土的裂纹扩展特征。
.........................
结论
本文通过半圆弯曲（SCB）试验，分析了干湿循环作用下沥青混合料不同断裂模式的临界应力强度因子 Keff和临界断裂能 GF，通过 Keff和 GF两个指标研究了不同温度、不同的干湿循环次数对沥青混合料抗裂性能的影响，并通过 MTS 准则、GMTS 准则分析了不同干湿循环作用下起裂角度的变化规律。主要结论如下：
（1）临界应力强度因子 Keff和临界断裂能 GF两者均是描述沥青混合料抗裂性能的指标，但 Keff更适合低温条件下分析沥青混合料的抗裂性能，临界断裂能通过荷载-位移两方面综合评价沥青混合料的抗裂性能，更为全面表述沥青混合料的抗裂性能。沥青路面的实际开裂模式常为 I/II 混合模式，纯 I 型模式下分析沥青混合料的抗裂性能是不合理的，应以混合模式条件下的临界应力强度因子 Keff和临界断裂能 GF作为评价沥青混合料抗裂性能的指标。
（2）干湿循环次数、温度和不同断裂模式对临界应力强度因子 Keff有较大影响，在一定温度范围内，适当降低温度会提高沥青混合料的 Keff，中低温环境下，对照组 Keff小于某些干湿循环次数下的 Keff，其原因是干湿循环作用下沥青产生老化，增加其抵抗开裂的最大破坏荷载。在-10℃，临界应力强度因子 Keff最大值出现在干湿循环 24 次，在 20℃，临界应力强度因子 Keff最大值出现在干湿循环 6 次。
（3）干湿循环次数、温度和不同断
