文章来源：微信公众号"沥青路面”
引言
沥青及沥青混合料是道路工程中最常用的建筑材料，道路工作者对其进行了大量的试验研究，并据此制定了一系列的应用技术标准和规范，为工程建设提供了依据，为保证工程建设质量和使用性能做出了许多重要贡献。在过去研究工作中，对沥青的宏观性质和物理特性研究相对侧重，对其内部微观结构组成及性质研究相对薄弱。对于沥青混合料的微观结构，如骨料的分布状态，空隙的分布、形状和大小，沥青胶浆的性质及不同微观结构与路面使用性能之间的关系等均了解甚少。这限制了针对沥青及沥青混合料性能进行更深入的研究，同时也直接影响到路面工程的设计和使用质量。
近年来，应用X-rayCT获取沥青混合料结构组成数字图像信息，能够准确和无损地确定其微观结构，让大家的视觉扩展到了材料结构的微观世界。随后，原子模拟技术、分子动力模拟、纳米技术、虚拟试验等也在沥青和沥青混合料的研究中得到应用，使得其研究工作能深入到原子和分子尺度。随着这些试验设备和分析技术的发展及高精试验手段的应用，沥青和沥青混合料本构模型的研究得到快速进展，同时也促进了离散单元法、双(面)力学理论、多尺寸模型、扩展有限单元法等计算分析技术的发展。
鉴于此，本文将从沥青和沥青混合料2个方面来阐述其研究的现状和发展，希望引起更多的同仁和学者来关注这个问题，一方面使中国的沥青和沥青混合料的研究尽快跟上世界先进水平，另一方面也进一步提高中国沥青路面的研究与设计技术，使沥青路面使用性能得到更大的改善。
沥青本构模型和微观结构
沥青的组分、分子结构和本构模型
沥青由沥青质、油分和树脂3个部分组成，沥青的性质随温度而变化，它可以呈现出流体(牛顿流)、黏弹性体和黏塑性体3种不同状态，其物理、化学和力学性质也会随其组成比例和结构的差异而不同。20世纪70年代同济大学严家伋教授曾对中国胜利沥青的分子结构进行过研究，并试图改善其结构与组成比例来制备合格的道路沥青，但却未对沥青各组分本身变化(受气候环境)对沥青物理、化学性质的影响进行过探索。其实沥青不是真正的溶液，它是一种胶状的分散体，存在一个特殊的温度———玻璃转变温度。Tg对沥青性能影响很大，可以看出，当沥青达到这个温度时，沥青从液态变成了半固态或固态。Tg随沥青质馏出物的变化而变化，一般在-40℃~0℃之间。1997年Cheung等提出了一张沥青结合料变形机理图，该图表明沥青黏度随温度和应变率的变化而变化。随着温度和应变率的变化，沥青黏度可划分为：温度大于60℃时，沥青表现为牛顿流；20℃是自由体积模型和扩散模型的温度分界线；0℃时，沥青按幂定律发生蠕变；-40℃时，沥青呈现Eyring塑性性质。因此，在不同温度时，沥青有不同的本构模型。例如，在温度高于Tg时，沥青具有黏性流体的性质。
当黏度随应变率下降，表现为剪切稀释，反之，它是剪切增稠。在某个特定温度下，沥青的变形遵照幂律模型变化。
研究者在100~1000KPa的应力水平下进行了大量的试验，结果表明可把沥青看成是幂律材料，同时证明了PLM可以在相对较高的应力水平下应用。当沥青从线性性质过渡到蠕变(幂律)状态时，其本构模型可表示为修正的交叉模型。
大量试验证明，MCM适用于在一个较宽的应力水平下描述沥青的假塑性流性质。
对于沥青的一般模型，常用到的有Kelvin模型、Maxwell模型，以及它们的组合模型等。
沥青结构研究的新动态
纳米尺度特征试验设备的应用
近年来，在沥青及沥青混合料研究中，出现了一些新的设备，如：
(1)原子力显微镜。这是一种有纳米级精度的扫描探针显微镜，依照小探针针尖与物体表面之间的相互作用，提供不同物体3D的实际空间图像(该设备中国有售)。
(2)扫描隧道显微镜。一种有原子级水平(根据电子隧道原理)的强有力表面成像设备，其分辨率在横向是0.1nm，深度方向是0.01nm。
(3)纳米刻痕器。可用于测量物质的硬度、弹性模量、断裂韧性、磨耗阻力、摩擦因数和薄膜涂层及微粒的黏弹性性质等，它利用控制表面的刻槽，达到纳米级空间分辨力，测定物质的相关性质。该仪器的尺寸通常小于50μm。
沥青质氧老化的分子动力
美国新墨西哥大学的Tarefder等进行了该项研究工作。沥青质的分子结构由复合芳香环、脂肪族链和杂原子(硫、氮、氧等)及各种金属所组成。沥青质在沥青中是最稳定的，由高分子量、高芳香性和高极性的成分组成，处于沥青分子的中央，不挥发，黏性和极性最好。至今，对沥青质的性质并没有完全弄清楚，对于油分和树脂的性质也是如此。Tarefder等开展这项研究有3个目的：①获取沥青质氧老化前后复杂多组分模型的热动力学性质；②采用MD模拟技术从密度和温度的关系中确定沥青质的Tg；③研究加氧量和温度对密度以及对Tg的影响。
MD模拟技术采用软件Culgi，应用了牛顿运动学定律和统计力学知识。研究结果表明：①沥青质的Tg随氧化水平增加而减少，Tg影响沥青的黏度、硬化和劲度特性；②沥青质老化的动力学性质取决于氧化水平和温度；③对于不同的氧化水平，沥青质的势能在一个特定温度之前随时间而减少，之后随之增加。
沥青和矿料力学性质的纳米尺度模拟
基于沥青混合料是一种明显的特征分级结构材料(它从纳米级到宏观尺度，跨越了多个尺度)，提出了一个纳米尺度模型，用于研究沥青、矿料材料的力学性质，使深入探讨其内部结构与特性之间的关系成为可能。研究应用了MD模拟技术，并用相容化合价力场表征沥青和矿料结构的力学性质。模拟结果指出，沥青的特性是由其分子组成(化学成份)及分子结构(物理排列)决定的，改变组成与结构中的任意一项都将导致热动力和力学性质发生变化。沥青分子模型的黏度和黏结能密度均与温度有关。另外，矿料结构的强各向异性弹性性质也表现在原子尺度上。
纳米技术在沥青改性中的应用
2010年，You等系统地介绍了应用纳米黏土改性沥青的研究成果。扬州大学肖鹏等应用纳米氧化锌和SBS复合在室内制备了改性沥青，采用高速剪切法和搅拌法制备，制备的纳米ZnO和SBS复合改性的沥青，其低温5℃的延度比未用纳米ZnO时增加了近1倍，而软化点基本不变，这是一个很好的结果，为中国改性沥青的研究开辟了一个很有价值的方向。
重庆交通大学冉龙飞等采用纳米膨胀土进行改性沥青的研究，所取得的成果也很有意义。
沥青是一种极其复杂的高分子化合物，通过纳米尺度级的AFM，STM和MD模拟等技术对它进行研究，可以揭示其内部微观结构组成及变化，从而建立更准确的性能预测模型。采用纳米复合材料对沥青进行改性，相比使用聚合物而言，可以获得性能更好、更稳定耐久的沥青黏结料。这样，目前只需进一步突破制造工艺和价格这2个难关，就能为我们生产改性沥青提供一个新的途径。
沥青混合料本构模型和微观结构
沥青混合料本构模型
近10余年来，由于试验设备和计算技术的发展，许多学者对沥青混合料的本构模型进行了更深入的研究，提出了许多更加合理的力学模型，主要有以下几种。
连续介质破坏力学模型的黏塑性模型
扰动状态模型
扰动状态这一概念是根据破坏材料的反应可以在2个极端条件之间内插这一假定建立的，这2个条件，一个是相对完好条件，另一个是完全调整条件。
DiBenedetto与Neifar模型
Benedetto等对沥青混合料进行了一系列试验，得到了典型性能分布图，提出了DBN模型(该模型还能考虑温度的影响及沥青材料的热敏感性)；提出一个可以随所研究的特性而简化或调整的基本公式。
经过论证，此模型还可以考虑大应变、脆性破坏(低温)，并可扩展到模拟破坏、触变和愈合等状态。
与微观结构特征有关的黏塑性模型
2005~2007年，Masad等建立了一个与沥青混合料高温性能有关的黏塑性模型，该模型把从2D和3DCT扫描图像中测量的颗粒定向资料与微观结构结合起来考虑，遵照Perzyna模型的原理。
与路面开裂有关的黏性区模型
假定黏性区是整体材料的一个面，在这个区域发生的位移不连续。黏性区模型的构造应遵照：拉力增大达到最大值，然后随着裂纹扩展接近于0。Needleman提出了一个有代表性的黏性区模型。
这些模型已在模拟AC类型沥青混合料的断裂和疲劳的研究中应用。2008年Kim等采用簇离散单元法来研究AC的断裂机理，并在DEM中应用了双线性黏性区域模型，使其能够模拟AC中裂缝的生成与扩展。Song等把黏性区模型与破坏模型结合起来，以研究AC的疲劳开裂机理，取得了满意的结果。
关于沥青混合料的本构模型还有一些，在此就不一一介绍。
沥青混合料微观结构
沥青混合料微观结构研究近年来取得了长足发展，它为研究沥青混合料的微观力学性能打下了基础。微观结构研究中应用了X-rayCT，通过X-rayCT可获取混合料的截面图像与3D图像，以研究沥青混合料的微观结构。
关于沥青混合料的微观结构，同济大学、华南理工大学、长安大学和长沙理工大学等都先后进行过相关研究，并取得了不少成果。Masad及华人学者汪林兵、尤占平等进行了更为广泛、深入的研究，研究领域包括沥青混合料结构内部骨料、沥青胶浆、空隙等的分布和状态；沥青路面Topdown开裂分析；沥青混合料内部流体流动和渗透研究等。张肖宁较早从事该领域的研究工作，主要进行了沥青混合料体积组成分析与差异性物质辨识、混合料内部结构组成的三维图像重构、沥青混合料性能的虚拟试验等研究，且在应用基础研究和工业应用方面也取得了一些新的进展，提出了一个建议的数值设计沥青混合料技术研究路线。
国内外学者的这些研究成果为我们认识沥青混合料的使用性能提供了很大的帮助，也为提高沥青混合料的力学性能提供了依据。
沥青混合料的多尺度模拟
Kim等根据沥青混合料组成的多相性(含有多种尺度的成份)，按连续热力学理论建立了多尺度模型，并采用有限单元法进行分析。该方法的含义是：对宏观物体内的每个较小结构进行独立尺度分析，如果统计均匀性在任意较小尺度内满足，那么在下一更大尺寸的分析中就可利用均匀化作用原理生成场方程。因此，可以用多尺度模型预测更大结构尺寸的性质，由于利用了各个组成的基本性质及较小尺寸的微观结构特性，其计算工作量可减少。
预测沥青混合料开裂性能的虚拟试验法
提出的虚拟试验法主要有3个要点：①用虚拟制作技术形成沥青混合料的微观结构，无需实际制作试件；②用网格模型模拟开裂混合料试件的微观力学性质；③用多尺度模拟分析技术把不同尺寸的骨料影响合并起来。虚拟制作技术首先需建立一个虚拟试件的微观结构，这是非常重要的一步；然后生成网格，并用离散的任意一束网格代表虚拟试样；最后采用网络模型法进行分析。可以看出：2种微观结构非常相似，从数量上看，实际结构切割面有281个颗粒，虚拟结构有289个颗粒，按骨料总面积比计算约相差9%。
混合料断裂研究的扩展有限单元模型
有限单元法从20世纪60年代开始广泛用于材料和结构研究分析中，但通过FEM网格很难描述结构(材料)的开裂性质。而由工业大学发展的XFEM可以克服传统FEM法通常用于处理连续性物体的不足之处。XFEM最早于1999年提出。2001年在XFEM中引用LSM方法来追踪裂缝增长问题(包括裂缝路径与裂缝尖端位置)；Dai等则通过X-rayCT获取的理想试件进行压实拉伸试验来研究混合料微观开裂性质和微观形态。研究结果表明，XFEM可以用来预测混合料的开裂增长，描述混合料的微裂缝特性与形态。
沥青混合料跨越了宏观、细观、微观、纳米、量子级等多个尺度。采用X-rayCT技术从微观层面揭示了它的结构组成；采用多尺度模拟分析方法探索沥青混合料的物理力学性能，为建立更合理的本构模拟打下基础。另外，虚拟制作技术可以为试验研究节省很多时间、材料和经费，这是一个很有前景的发展方向。目前虽然计算精度和一些影响因素还需继续探讨，但可以预计这些问题在不久的将来都能得到解决。
微观结构分析中的数学力学方法
离散单元法
DEM技术首先是由Cundall于1970年提出的，最早这个方法应用在岩石力学上，后来扩展到粒料介质。DEM的基本概念是：应用牛顿第二定律来表征多个相互作用的刚体运动(位移)。
由于沥青混合料是由骨料、胶浆和空隙组成的多相体，是一个由沥青胶浆胶结和填充的颗粒状结构，所以用DEM进行其微观结构分析是非常合适的。目前所用到的分析软件主要有PFC3D与PFC2D。
离散单元分析中有多种颗粒接触形式，主要有圆形颗粒和多边形颗粒的接触形式，另外还有球体、多面体的接触形式等。按照接触体的性质，分为刚性、弹性、黏弹性与弹塑性。由此根据材料本构模型确定颗粒之间接触的应力－应变关系。
对微观结构各理想离散体的接触状态，可以建立这样的方程，从而形成1个方程组，然后根据边界条件进行求解，得到各接触点的应力和位移。
双(面)力学
近20年来，粒料的微观力学分析有2个方面值得重视：
(1)前面提到的离散单元法的应用，利用X-rayCT获取数字图像，采用DEM进行分析。
(2)双(面)力学的应用，它假定一个Bravis网格点作为微观结构模型，考虑成双颗粒变形和相互作用，变形场表示为一系列的坐标，当颗粒尺寸接近0时，它变成一个连续体系。在双(面)力学中，固体是以有限距离排列的点或节点表示的，任意一对这样的点都是冠以成对(双)的，DM理论是从“建筑砌块”发展过来的，从这个意义上讲，“成对的”是对于“双(面)力学”，而“微分体积单元”是对连续体力学而言。“双(面)力学”完全符合2个边界条件，即一个极端是连续体力学，而另一端是网格动力学。
汪林兵利用X-rayCT图像和双(面)力学理论，研究了沥青路面自上而下开裂问题。研究结果表明，在粒料的微观应力中，在压力作用下某些区域会出现拉应力，由此可以解释自上而下开裂的机理。
结语
(1)应用X-rayCT技术对沥青混合料的组成与差异性物质进行辨识，将沥青混合料的微观结构与外部宏观力学特性联系在一起，从新的视觉探求了宏观现象的微观机理，是沥青混合料研究领域的一大进步，为人们深入了解沥青和沥青混合料的内部微观结构与性质，完善相关的试验方法和规程，进一步提高路面的使用性能打下了更好的基础。
(2)原子力显微镜、多尺度模拟、虚拟试验法以及纳米技术等的应用，为我们研究沥青和沥青混合料打开了一个全新的局面，将逐渐成为解决沥青路面复杂行为的切入点和着力点。
(3)沥青混合料本构模型的应用，为实际荷载作用下沥青混合料的行为提供了更准确的信息，进而能更好地评估沥青路面的使用寿命；这些模型的力学原理为建立材料特性与模型参数的关系提供了渠道，为更好地选择沥青混合料原材料提供支撑。
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