广西气候高温多雨，部分高速公路通车后一至两年，甚至不到一年，沥青路面就发生了大量坑槽、松散、唧浆、网裂等水损害现象，结构内部剥蚀程度相当严重。孔隙水压力、动水压力和车辆轮胎反复抽吸冲刷的共同作用，是造成沥青路面水损害的主要诱因^[1]。探究在水-荷载耦合作用下沥青混合料试件的宏微观破坏机理和沥青路面的动力响应是获知沥青路面结构行为的重要方法。CT 试验技术的发展为沥青混合料的微观研究提供了平台^[2]。20世纪90年代，美国公路发展战略研究计划(SHRP)就开始借助CT扫描技术对混合料内部分布与结构进行了初步研究^[3]。随后国内也开始了CT扫描技术在混合料内部结构组成的分析，如对沥青混合料内部动态破损识别经行了研究分析^[4]，通过不同扫描参数下的CT扫描来分析试件内部的初始结构^[5]，基于MATLAB编制程序对沥青混合料CT图进行三维重构^[6]，对混凝土结构性断裂微观分形理论进行分析^[7]。国内外相关的研究主要集中在对内部结构的定量或定性分析基础之上，目前很少有相关文献将宏观试验、内部微观结构及力学环境综合起来对沥青混合料的破坏过程进行描述。本文借助CT扫描试验，研究水-荷耦合作用下沥青混合料试件的压缩疲劳破坏过程，探讨其破坏机理，并且基于多孔介质理论，对广西地区典型沥青路面结构建立三维有限元模型，计算分析沥青路面在饱水和无水状态下的动力响应特性。 1 CT扫描试验

试验采用伺服液压试验机(UTM-25)和多层螺旋CT扫描试验机，如图 1所示。UTM疲劳试验采用正弦波的控制方式，参数设定为：正弦波的最大荷载为(peak-to-peak)700 KPa，施加荷载时间为0.1 s，卸载时间为0.4 s。温度控制恒温为25 ℃。CT扫描仪参数设定为：探索合并数为13个，电压为310 kV，电流为1.8 mA，焦点大小为1.9 mm，积分时间为8 ms，行合并数为8行。

图 1 CT试验机室内扫描部分 Fig. 1 Laboratory scanning part of CT machine

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采用旋转压实仪(SGC)成型制备AC-16配合比试件，标准试件尺寸为100 mm×100 mm，试件分别标记为试件A、试件B。将试件A进行饱水处理，即浸水48 h,试件B不做处理。在试验前分别进行一次扫描，A试件扫描上(25 cm)、中(50 cm)、下三层(75 cm);B试件只扫描中(50 cm)层。把试件分别置于UTM试验机上进行轴向压缩疲劳试验，直到破坏。为了保证试验过程中试件A一直处于饱水状态，试验前制备一个带底的钢质并上开口圆筒,见图 2,饱水试件置于筒内中部位置，然后注入干净水，漫过试件表面即可。试件B不做处理。将破坏的试件移至CT扫描机进行第二次扫描。

图 2 钢质圆筒 Fig. 2 Steel cylinder

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2.1 宏微观试验结果对比

分别对无水和饱水试件进行宏微观破坏对比。通过几组对比试验，可以看到两种情况下试件的破坏形式有较大差异。两种状态下的试件破坏图见图 3和图 4。可以看出，试件从无水情况向有水情况转化时，破坏模式也从劈裂模式向剪切破坏模式转变，表明沥青混合料受到不同力学效应，产生不同机理的破坏，从各自的纵向CT扫描图来看亦如此。

图 3 无水B试件破坏图和纵向扫描图 Fig. 3 Damage and vertical scanning pictures of anhydrous specimen B

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图 4 饱水A试件破坏图和纵向扫描图 Fig. 4 Damage and vertical scanning pictures of water-saturated specimen A

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为得到沥青、集料和孔隙三相态在破坏前后的变化，利用Adobe Photoshop CS4图像处理软件的K-means 法对图像进行分割处理。

图 5 饱水A试件各层CT扫描图 Fig. 5 CT scanning pictures of layers of water-saturated specimen A

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图 6 无水B试件50 cm处CT扫描图 Fig. 6 CT CT scanning pictures of anhydrous specimen B in 50 cm depth

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试件A和B各层的CT扫描图见图 5和图 6。可以看出：

(1)图像中的灰色部分是沥青，黑色部分是空隙，较白的部分是集料，它们自由分布。沥青混合料是一种非均匀材料，其中含有大量随机分布排列的微孔隙，微观三相态构造是非均匀性的，而且是极其复杂的。

(2)通过CT图片能很好地反映试件水破坏的演变过程。在初始状态，各试件内部就具有较多孔隙和微裂纹，而从破坏状态可以看到，试件沿初始状态下的微孔洞、微孔隙边缘扩展，即沿混合料结构的最不利界面扩展。破坏过程中，沿裂纹的主方向进行发展，同时还生成其他方向的微裂纹，出现分叉、相交等现象。

通过图像分割和灰度聚类可得到孔隙、集料和沥青的面积，然后根据每个断面的总面积来计算各物质组成所占的面积百分比。各物质的面积统计、CT值和CT方差由软件计算自动生成。试件A和试件B的计算结果见表 1和表 2。它们反映了破坏前后的孔隙、集料、沥青面积所占比例、CT值和CT方差的变化。 结合CT图片和表格数据可得出：

(1)试件A在饱水疲劳的破坏过程中，内部结构三个截面层变化的总趋势基本一致，孔隙的面积 明显增大，同时沥青面积收缩较快，沥青从集料表面剥落现象较明显，由于试件变形，集料发生位移， 面积略有增加。在初始阶段，试件内部薄弱位置上的微细裂纹和试件外缘缺陷位置首先出现微裂扩展，直到破坏产生，CT数急剧减小，CT方差大幅度增加。微裂纹出现延伸、分支、贯通现象。

(2)无水试件B在压缩疲劳破坏过程中，沥青面积增大，集料面积略有减少，孔隙面积增大。与饱水试件相比，孔隙面积破坏前后变化较小。CT值的大小与沥青混合料的密度变化有直接关系^[8]。从CT值来看，破坏前后无水状态中层的CT值降低136，而饱水状态为269.2，饱水状态CT值下降速度快，也反映出饱水情况下沥青混合料密度变化比无水情况大。 3 无水和饱水情况下沥青路面力学响应分析

3.1有限元模型的建立

(1)几何模型的建立 运用ABAQUS有限元软件对广西典型路面结构建立实体模型，并通过八节点六面体SOLID65单元对整个模型进行网格划分^[9]。在ABAQUS建模中，层间接触为完全连续，y方向为行车方向，z方向为路面的深度方向，x方向为道路的横向。路面整体模型尺寸为10 m×10 m×5 m，有限元模型见图 7。

图 7 有限元模型 Fig. 7 Finite element model

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(2)荷载模型及边界条件的假定 以阶段跳跃形式荷载对模型加载，即通过荷载作用单元的变化及单元上荷载作用时间的变化来实现荷载的移动。假定速度参数为40 km/h，此时任意单元上作用荷载的时间为0.02 s^[10,11]。采用标准轴载BZZ-100，荷载幅值为700 kPa，移动荷载作用的时程变化见图 8。荷载作用位置网格加密，距边界1 m处作为荷载起始点。

图 8 移动荷载时程变化(40 km/h) Fig. 8 Time history of moving load(40 km/h)

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边界条件设定为：四个面竖直自由移动，垂直面方向固定，下边界为三向固定，上边界为三向自由。加载任意单元和半刚性基层顶面假定不透水，除荷载作用位置以外的其他边界皆假定透水。

(3)各层结构和材料参数的取值 沥青面层采用多孔隙介质材料模型。借助多孔介质理论，假定路面结构层为均质的完全饱和弹性材料，以弹性模量E、渗透系数k、泊松比μ来表征；基层和土基为完全固相线弹性材料，以弹性模量和泊松比表征；路面结构微孔隙中流体视为不可压缩的流体；微孔隙流体服从Darcy定律，且渗透系数保持不变。路面各层材料物理参数按现行规范^[12]选取，泊松比参考美国SHRP LTPP中的推荐值，见表 3，材料渗透性均是各向同性。 3.2 三向饱水和无水条件下的应力分析

以荷载作用面中心位置各层界面所处深度为研究对象，运用 FLAC-3D计算软件分别得出了沥青路面在无水和饱水情况下的三向应力，绘制饱水和无水情况下的沥青路面各向变化曲线，如图 9所示。

图 9 无水和饱水情况下三向应力时程变化 Fig. 9 Time histories of 3D stresses under anhydrous and water-saturated conditions

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根据沥青路面在移动荷载作用下在不同深度处三向应力随时间的变化规律，可以得到：

(1)饱水情况下的沥青路面三向应变动力响应与无水情况有所不同，三向应力变化改变主要集中在沥青面层深度范围内。

(2)饱水情况沥青路面面层内的三向应力在荷载作用离开后没有立即回零，而是有较大初值并缓慢减小，在0.96 s左右y向应力趋近于0，而x向应力和z向应力在1.2 s左右才逼近于0。与无水状态下相比，沥青面层三向应力的荷载效应作用分别增加了0.18，0.32，0.38 s。在行车荷载的反复作用下，荷载效应作用时间将会成倍增加，使得沥青路面受力状态更早地趋于不利，从而更易产生结构性损坏。

(3)与无水情况相比，饱水沥青路面沥青层内三向压应力极值减小，尤其是在0，4，10 cm处，z向压应力平均减小65 kPa左右，但沥青面层内z向拉应力在0.58 s时极值出现了激增，沥青混合料抗压不抗拉，这种改变使饱水状态沥青面层受力趋于不利。 3.3 三向饱水和无水条件下的应变分析

以模型轴心处各层之间界面深度为研究对象，并运用FLAC-3D分别计算得出了沥青路面在无水和饱水情况下的三向应变，绘制变化曲线如图 10所示。 根据沥青路面在移动荷载作用下在不同深度处的三向应变随时间的变化规律，可以得到： (1)饱水情况下的三向应变动力响应与无水情况下有所不同，三向应变的改变主要发生在沥青面层深度范围内。 (2)在饱水情况下，沥青面层层底承受压应力，但产生了较为明显的先压后拉的横向应变。这种情况对路面结构极其不利，将导致沥青路面早期水损害情况下的疲劳开裂等结构破坏。 4 结论

借助CT扫描试验，研究水-荷耦合作用下沥青混合料试件的压缩疲劳破坏过程，定量分析了破坏过程内部的变化情况，且通过建立水-荷载耦合作用的沥青路面有限元模型，计算分析得到了路面结构在无水和饱水情况下的三向应力应变时程变化规律：

图 10 无水和饱水情况下三向应变时程变化 Fig. 10 Time histories of 3D strains under anhydrous and water-saturated conditions

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(1)两种破坏状态下的机理大不相同。宏观上，沥青混合料试件从无水向饱水转化时，破坏模式也从压裂破坏转变为剪切破坏；微观上，裂缝沿混合料结构的最不不利界面扩展，同时还生成其他方向的微裂纹，在压缩疲劳试验试件破坏前后，饱水状态比无水状态CT值下降速度快。

(2)在行车荷载作用下，饱水和无水情况下应力和应变响应的不同主要集中在沥青面层深度范围内。

(3)相对于无水情况，饱水情况下荷载效应作用时间成倍增加，且沥青面层竖向拉应力出现激增，使得沥青路面受力状态更早地趋于不利，从而更容易产生结构性损坏。

(4)在饱水状态下，沥青层底受压，但产生了较大的先压后拉的x向应变，这种不利现象使沥青路面过早产生疲劳开裂。