该文档是一篇学术研究论文，报告了一项关于薄层沥青混凝土低温开裂行为的原创性研究。因此，我将根据类型a的要求，为您撰写一份详细的学术报告。

薄层沥青混凝土低温开裂行为研究：基于试验观测与细观数值模拟的联合分析

由杜延昭（中国建设基础设施有限公司）、朱尚书、张泽（西南交通大学道路工程四川省重点实验室）、张洋洋（中国建设基础设施有限公司）、石红星（北京智华通科技有限公司）、田荣水（西南交通大学道路工程四川省重点实验室）合作完成的研究论文《薄层沥青混凝土低温开裂行为分析及数值模拟》，于2025年发表在《科学技术与工程》期刊第25卷第8期上。该研究聚焦于道路工程材料领域，特别是沥青混合料的低温抗裂性能评估与破坏机理分析。

一、 研究的学术背景与目标

低温开裂是沥青路面，尤其是薄层罩面（thin-layer overlay）常见的病害形式，会显著加速路面损坏，缩短使用寿命。尽管通过改性剂和纤维增强等手段可以提升沥青混合料的抗裂性能，但其内在的开裂机理，尤其是在细观尺度上的破坏过程，仍不十分清晰。传统的评价方法，如半圆弯曲试验（Semi-Circular Bend test, SCB），能够提供断裂韧度、断裂能等宏观指标，但无法揭示材料内部由集料、沥青胶浆和孔隙等多相组成的复杂结构在开裂过程中的相互作用和演化规律。为了弥补这一不足，将先进的试验观测技术与基于材料真实细观结构的数值模拟相结合，成为深入理解沥青混合料开裂行为的有力工具。

本研究旨在揭示薄层沥青混合料在低温条件下的开裂行为与机理。具体目标包括：1）通过结合裂纹观测和数字图像相关技术（Digital Image Correlation, DIC）的SCB试验，直观记录和分析薄层沥青混合料从加载到断裂的全过程；2）建立基于真实细观结构的有限元模型，并采用黏聚区模型（Cohesive Zone Model, CZM）来模拟材料的开裂过程；3）通过对比试验与模拟结果，验证模型的适用性，并利用数值模型深入分析试件内部的应力演化、裂纹萌生与扩展路径，从而为理解薄层沥青混凝土的开裂机理提供新的视角和参考依据。

二、 详细的研究流程与方法

本研究的工作流程系统而严谨，主要包含四个核心环节：薄层沥青混合料设计与路用性能验证、低温开裂试验与观测、细观结构有限元模型的建立与参数标定、以及基于模型的开裂过程与承载力分析。

第一环节：材料设计与性能验证。 研究首先设计了目标薄层沥青混合料。其集料采用玄武岩，级配曲线如图1所示。胶结料采用掺加0.2%一元改性剂的SBS改性沥青，并外掺0.3%的玄武岩纤维进行增强。采用干法拌和工艺，最佳油石比为5%。成型试件后，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）对其路用性能进行测试。测试结果显示（表1），该混合料的空隙率（VV）为10.5%，稳定度（MS）为6.67 kN，残留稳定度（MS0）达97.08%，冻融劈裂强度比（TSR）为91.31%，动稳定度（DS）高达13790次/mm。这些数据表明，所设计的薄层沥青混合料不仅具有大孔隙排水降噪的功能，还具备优异的高温稳定性和水稳定性，为其后续的抗裂性能研究奠定了合格的物质基础。

第二环节：低温开裂试验与过程观测。 研究采用半圆弯曲试验（SCB）来评价混合料的低温抗裂性能。试件为带有预制切口的半圆盘，几何尺寸如图3所示。试验在-20℃的低温环境下进行，使用UTM-100试验机以1 mm/min的速率进行加载。本试验的创新之处在于，不仅记录了荷载-位移曲线，还同步采用了裂纹观测与数字图像处理技术。具体方法是在试件表面喷涂黑白散斑，利用摄像机全程记录加载过程中试件表面的变形。随后，使用开源软件Ncorr对采集的图像进行处理，获取试件表面的应变场演化云图。这种方法实现了对开裂过程的“可视化”追踪。研究共测试了3个薄层沥青混合料试件（编号J1, J2, J3），并同时测试了3个AC-13沥青混合料试件作为对比。

第三环节：细观结构有限元建模与验证。 为了从理论上分析开裂特性，研究建立了基于真实细观结构的二维有限元模型。建模过程具有显著特色：首先，对J1试件的表面进行图像采集和处理，利用商业软件AutoCAD提取并生成集料的轮廓；然后，将轮廓导入Abaqus有限元软件，生成包含集料、沥青砂浆和孔隙相的细观几何模型（图8）。在模型中，集料和沥青砂浆被视为线弹性材料，采用CPS3实体单元模拟。关键的创新在于对开裂行为的模拟：研究在所有沥青砂浆单元之间以及砂浆与集料界面处，插入了厚度为零的黏聚单元（COH2D4）。黏聚单元遵循牵引力-分离量法则，其本构关系如图9所示，能够模拟材料从弹性、损伤到最终失效断裂的全过程。模型中假设集料本身不发生断裂。模型参数通过反分析法确定：集料和沥青砂浆的弹性模量、泊松比参考常规值设定；黏聚单元的初始刚度、强度（抗拉与抗剪）和断裂能等关键参数，则通过调整使其模拟出的荷载-位移曲线与试验曲线尽量吻合来最终确定（参数见表3）。建立的模型采用与试验相同的边界条件和位移加载方式（加载2mm）进行计算。

第四环节：基于数值模拟的深入分析。 在模型验证有效的基础上，研究者利用该细观模型，深入分析了在SCB加载过程中，试件内部损伤的萌生与演化、裂纹的扩展路径、以及跨中截面应力分布和中性轴位置的动态变化。这部分分析是试验手段难以直接获取的，凸显了数值模拟的独特价值。

三、 主要研究结果及其逻辑关联

研究取得了一系列从宏观现象到细观机理的层层递进的成果。

从试验观测结果来看： 首先，薄层沥青混合料的荷载-位移曲线在-20℃下呈现出三个典型阶段（图4）：I阶段（直线上升段，弹性响应）、II阶段（非线性增加段，损伤累积）和III阶段（非线性下降段，宏观裂缝出现与扩展）。其次，通过数字图像相关技术处理的应变云图与荷载-位移曲线关键点（a-f点）的对应分析（图5, 6, 7），清晰揭示了低温开裂的物理过程。当加载至a点（位移0.231mm）时，试件开始发出断裂声，表明内部损伤萌生；至b点（0.295mm），损伤加剧；至c点（0.412mm，荷载峰值），缺口尖端出现明显的横向应变集中；过峰值后，在d点（0.463mm），应变云图中出现可见的裂纹路径，试件表面也出现宏观裂纹；至e点（0.631mm），裂纹扩展并出现分支，承载力已降至峰值的9.7%；最终在f点（0.981mm）形成贯穿裂缝。这一观察将宏观裂缝出现阶段细分为裂纹出现、扩展连接和贯通三个子阶段。最后，通过计算得到了薄层沥青混合料的断裂参数（表2）：平均弯拉强度5.85 MPa，平均断裂韧度1.24 MPa·m^0.5，平均断裂能1.05 N/mm。这些指标均显著优于作为对比的AC-13混合料（均值分别为3.61 MPa, 0.91 MPa·m^0.5, 0.79 N/mm），证明了所设计薄层混合料优异的低温抗裂性能。

从数值模拟结果来看： 首先，模型验证成功。模拟得到的荷载-位移曲线与试验曲线吻合良好（图10），且模拟预测的裂纹扩展路径、方向和曲折程度与试验观测到的表面裂纹高度一致（图11），这充分证明了所建立的基于真实细观结构和黏聚区模型的有限元方法是有效且可靠的。其次，模拟揭示了细观尺度的开裂机理。分析显示，损伤首先在缺口顶部的黏结单元中发生（位移0.16mm）。随着荷载增加，损伤区域在缺口附近的集料边界处扩展（图12a），导致跨中截面正应力分布呈现因细观结构不均而产生的“锯齿状”（图13）。当位移达到0.363mm时，黏结单元大面积损伤，荷载达到峰值。位移0.395mm时，黏结单元开始失效，宏观裂纹出现，荷载骤降。裂纹在扩展过程中会趋向于孔隙（图12c），孔隙成为吸引裂纹发展的“吸引子”，最终裂纹绕过集料、穿过砂浆和孔隙，形成贯通路径。这一过程完美解释了试验中观察到的曲折裂纹现象。最后，模拟提供了独特的力学参数演化视角。研究发现，跨中截面的最大拉应力位置和中性轴位置随加载过程呈“S”形变化（图14）。在从峰值荷载到开裂点（位移仅增加0.03mm）的快速失稳阶段，最大拉应力位置急剧上移了14.56mm，中性轴上移了5.02mm。这两个参数的变化与材料的脆性断裂和快速失稳行为密切相关，可作为表征材料抗裂属性的潜在指标。

结果的逻辑关系是： 试验结果为数值模型提供了验证基准（荷载-位移曲线和裂纹路径）和输入参数标定的依据（宏观断裂能等）；而经过验证的数值模型则反向揭示了试验现象背后的细观力学机制（损伤起始、裂纹绕集料扩展、孔隙的吸引子效应）和内部状态演化（应力分布、中性轴移动），两者相辅相成，共同构建了对薄层沥青混合料低温开裂行为的完整认知。

四、 研究结论与价值

本研究得出以下主要结论：1）薄层沥青混合料的低温开裂过程可分为弹性响应、损伤累积和宏观裂缝出现三个阶段，其中第三阶段可进一步细化为宏观裂纹出现、扩展连接及贯通。2）结合数字图像处理技术的SCB试验能有效显式化沥青混合料的低温开裂行为。3）建立的基于真实细观结构和黏聚区模型的有限元方法适用于模拟和分析沥青混合料的开裂行为，模型可靠性高。4）跨中截面的最大拉应力位置和中性轴位置与试件的承载力变化及材料的脆性断裂特性有良好的相关性，其动态演化过程有助于深入理解开裂机理。

该研究的科学价值在于，它将宏观试验、细观观测与基于真实结构的数值模拟深度融合，为研究多相复合材料（如沥青混凝土）的断裂力学行为提供了一个可复制的研究范式。在应用价值上，该研究不仅验证了所设计薄层沥青混合料优异的抗裂性能，其建立的细观分析框架和揭示的裂纹扩展规律（如孔隙的“吸引子”效应），可为未来沥青混合料的材料设计（如优化级配、界面增强）和抗裂性能提升提供理论指导。

五、 研究的亮点

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1）方法融合创新：成功地将SCB试验、数字图像相关技术（DIC）全场应变观测与基于真实细观结构的有限元模拟三者结合，实现了从宏观现象到细观机理的全链条分析。2）建模策略先进：没有将沥青混合料简化为均质材料，而是基于真实图像重建了其细观结构，并采用黏聚区模型来模拟界面开裂，更真实地反映了材料的非均质性和断裂过程区特性。3）发现新颖见解：通过数值模拟，直观展示了裂纹在细观结构中绕集料、趋孔隙的扩展路径，明确了孔隙作为裂纹“吸引子”的作用，并提出了跨中截面中性轴和最大拉应力位置的动态演化可作为表征材料脆断行为的指标，这些发现深化了对沥青混合料开裂机理的理解。4）工程应用导向明确：研究直接针对薄层沥青罩面这一易开裂的工程实际问题，所有工作均围绕提升其抗裂性能和理解其破坏机理展开，具有明确的工程指导意义。

六、 其他有价值的内容

论文在讨论部分也指出了研究的局限性及未来方向：为了说明薄层沥青混合料的开裂行为，对细观结构SCB模型进行了一定的简化。实际上，SCB试件的开裂行为受内部集料分布、沥青胶浆性质以及集料-沥青胶浆界面性质等多种细观因素的综合影响。要进行更精确的开裂模拟，需要在未来进一步开展细观尺度上的试验，以更准确地确定各相材料的组成和模型参数。这一坦诚的讨论为后续研究指明了方向。