在季冻区,春融季节往往是公路病害集中爆发的时期,本文依托国家自然科学基金项目《基于油石固结增强和整体性能提高的沥青路面水损害关键技术研究》与黑龙江省交通厅项目《基于沥青石料表面改性的油石界面粘结剂路用技术研究》,立足于春融环境的特殊气候特点,对特定工况下沥青路面水损害的产生机理及防治技术展开深入研究,为季冻区路面结构设计与施工提供理论依据和技术支持。主要研究内容如下:(1)春融环境条件下水分扩散对胶浆性能的影响研究以基于菲克定律的水分对胶浆膜扩散理论和胶浆解吸理论为支撑,对冻融循环作用下沥青薄膜性能变化规律进行研究。在实验室制备沥青薄膜试样,各材料试样分别经受0~30次模拟春融气候特征的冻融循环处理,并考虑融雪剂的影响。制备好的试样分别进行沥青针入度、软化点、延度、旋转粘度、DSR流变试验、扫描电镜、红外光谱、TG热重分析等试验内容的测试,通过各项试验结果综合分析沥青膜在经受苛刻外界条件作用下材料性能的变化规律。多次冻融循环作用下沥青性能整体呈下降趋势,硅烷白炭黑对于抑制沥青性能劣化具有良好的效果。含硫元素较多的沥青品种,可用亚砜基S=O官能团指数变化来评价冻融循环作用下沥青性能的老化程度。热重试验显示,改性材料能够很好的分散在沥青样品中,可以使用指标Me定性评价改性材料添加在沥青中的分散均匀性,利用指标Ts和Tp比较改性沥青材料的热稳定性。(2)水分存在对油石界面粘结强度影响研究通过自主研发的一套数值计算-室内试验相结合的研究方法,确定了油石界面含水率与接触面总体剪切强度的关系,并重点考虑了温度和改性材料的影响,这套研究方法也可用于总体拉伸强度与界面含水率的关系研究,本文所设计的测量含水油石界面粘结强度的方法能很好的代替传统水煮法,将沥青石料黏附性的研究由定性评价成功转变为精确定量分析。由试验结果拟合得到了界面剪切强度以及剪切强度损伤度与界面含水率的回归公式,式中,参数b为剪切强度损失因子,其大小决定了剪切强度的损失速率,剪切强度会随着界面含水量的增多显著降低,尤其在温度较高时,降低速率更快。(3)基于春融气候特点的路面“冲刷”“泵吸”现象机理研究通过建立细观角度沥青路面孔隙模型,对饱和和非饱和状态路面动水冲刷现象进行模拟计算,并基于Biot多孔介质理论,对路面泵吸现象进行仿真计算分析,最后,结合实测的路面孔隙水压力数据,对路面孔隙内“泵吸”和“冲刷”现象的产生机理进行了系统的研究。动水“冲刷”结果显示孔隙水压力和流速都和轮载作用速度正相关,非饱和孔隙的水压力计算值要略大于饱和情况。车速较低时,泵吸现象正负压的反复作用是沥青路面水损害发生的主要成因之一,而车速较高时,动水冲刷的破坏效果超过泵吸作用,二者相结合的长期作用会明显加速水损害的发展进程。通过泵吸仿真结果和实测数据的对比得知,负压的产生主要和泵吸作用有关,即负压是在轮载卸荷后混合料变形恢复过程中产生的,而在车速较高时,路面孔隙水压力正峰值是由动水冲刷和泵吸作用引起的两部分孔隙水压力叠加而成。(4)春融环境条件下沥青混合料损伤特性研究针对春融季节气候环境特点,设计了冰冻-浸水-冲刷循环作用的试件处理方法,以此来探讨春融环境下混合料性能的损伤规律,并引入灰关联分析法对冰冻、浸水、冲刷三个单因素在循环作用下的影响程度进行了研究,其中,冰冻循环相对冲刷和浸水循环作用对沥青混合料各方面的性能影响都更为显著,冲刷在影响混合料耐久性方面要显著于浸水循环,而对于水稳定性和高温性能方面则呈现相反的特征,冲刷和浸水对低温性能的影响程度较为接近。相对来说,冰冻和冲刷与耐久性的关联程度最高,而浸水与高温性能的关联程度最高。此外,采用Logistic判断模型对混合料的冰冻-浸水-冲刷损伤过程进行研究,模型参数maxA可以判断路用性能的损伤程度,参数0.5x评价路用性能的损伤速度。(5)基于油石固结增强及整体性能提高的抗春融水损改性材料研发综合各章节研究内容对春融环境下水损害的形成规律和发展机理进行深入的分析讨论,并抓住界面固结力和整体结构性能这两个水损破坏关键因素,提出了基于油石固结增强和整体性能提高的抗水损改性沥青混合料研发基本原则,在此基础上结合硅烷白炭黑和硅烷偶联剂各自的优势特性,研制了一种适用于春融环境的优质抗水损改性沥青材料,对特定环境水损害的防治具有一定优势,同时相比SBS改性沥青可节省1/4的成本,经济性良好,因此所研发复合改性沥青材料具备很好的推广应用前景。此外,通过引入模糊综合评判理论,建立了一套混合料整体性能综合评价体系,可以做到定性和定量因素相结合,对各种混合料性能由繁到简的产生清晰的认知,方便决策者选择适合的混合料类型进行实际应用。