经过近四十年的努力,我国基本上解决了以半刚性基层沥青路面为典型结构的承载能力问题。然而,裂缝问题仍然是导致沥青路面早期损坏和大中修的主要原因之一。以广东为例,大量的路况调查数据显示,PCI下降的主要贡献来自于裂缝,其比例占病害类型的85%~95%。这些裂缝又主要以近似固定间距的横向裂缝(半刚性基层反射裂缝)和少量的Top-down裂缝为主。道路工程界曾试图以改性沥青(上中面层)或添加纤维、橡胶等方式降低路面的开裂率,由于要兼顾车辙和抗滑等问题,虽然增加了工程造价但改善路面开裂的效果并不显著。基于上述背景,研究沥青混合料的材料构成、性能与路面结构的基础关系,通过材料与结构的一体化设计,根据结构需求开发具有优良抗裂性能的“功能型”沥青混合料,对于延长路面大中修周期,降低路面的养护维修成本具有重要意义。本文以离散元分析和数字图像处理为研究手段,以沥青混合料各组分细观特性为研究主线,从细观角度对沥青混合料的断裂特性进行分析,揭示级配、集料形态、集料分布、砂浆强度、空隙等对沥青混合料结构抗裂性能产生的影响,研究沥青混合料受力断裂过程中裂缝演化等,研究结论可为抗裂功能型沥青混合料的设计提供理论依据。鉴于平衡设计并不能解决沥青混合料抗车辙和抗裂的矛盾,也不利于发挥单纯抗车辙或抗裂的优势,本研究提出了一种新的沥青磨耗层混合料设计思路,针对按抗车辙设计的沥青混合料,开发一种在常温未成形时有高渗透性,在固结后又有高强粘结能力的新型喷洒型材料。本文的创新性成果如下:(1)根据设计材料的理念和沥青路面实际损坏状况,本研究提出了抗裂功能型沥青混合料的概念及其设计方法。(2)自主开发了基于离散元软件的内聚力本构模型代码,该代码能应用于二维和三维离散元模型的断裂性能虚拟试验且效果良好,为抗裂功能型沥青混合料的分析和数字化设计奠定了良好基础。(3)基于虚拟试验研究了集料公称最大粒径与层厚的尺寸效应关系对沥青混合料抗裂性能的影响,发现对于特定的层厚存在一个抗裂性能最佳的公称最大粒径范围,并据此给出抗裂型沥青混合料最佳的层厚粒径比例范围为4.0~5.5倍。(4)通过虚拟试验及室内试验,发现粗集料含量和集料颗粒的比表面积是影响沥青混合料抗裂性能的主要因素,并分别呈抛物线规律,据此给出AC-20抗裂型沥青混合料最佳粗集料含量为51%~54%,比表面积取值范围为5.7~6.2m~2/kg。(5)提出了抗裂功能型沥青混合料的设计方法:(1)根据层厚确定级配的公称最大粒径;(2)确定最佳抗裂性能的粗集料含量与比表面积;(3)由分形维数定义级配曲线;(4)应用二维或三维离散元软件与内聚力模型分析和优化抗裂功能型沥青混合料级配范围;(5)抗裂功能型沥青混合料路用性能的室内试验验证。该设计方法为提高下面层沥青混合料的抗裂性能,抵抗反射裂缝提供了一种全新的解决方式。(6)考虑到现有的平衡设计方法无法最大限度地发挥沥青混合料的抗车辙或者抗裂的单一性能,本研究开发了一种新型喷洒型材料——渗固封层,用于增强路面的抗剪、抗裂性能,解决了沥青面层因设计需求集中在抗压、抗车辙上,难以同时兼顾抗裂的作用而导致Top-down裂缝没有相应措施进行预防或抑制的难题。渗固封层不仅能提升路面的抗剪、抗裂性能,还同时提升了其他的路用性能(如抗腐蚀、防水、抗滑、抗剥落等),可用于沥青路面的预防性养护。