“长寿命沥青路面Top-Down 裂纹开裂机理及寿命预估”(50908093)项目通过项目负责团队三年的工作，较为圆满地完成了课题目标。课题主要成果包括：发表15篇期刊论文，录用1篇期刊，其中SCI收录4篇，EI收录4篇；参加境外举办的国际会议2次；获省部级科技奖励3次，其中省部级科技进步二等奖1次，省部级科技进步三等奖2次；培养毕业硕士2名，在读硕士3名。 项目在理论研究方面取得了如下成果： 1. 基于断裂力学理论，利用无网格伽辽金/有限元耦合方法，对沥青路面表面裂纹的扩展进行了数值模拟，通过对表面裂纹扩展过程中的应力强度因子变化规律和裂纹扩展路径的分析，以及面层、基层设计参数对裂纹扩展的影响的研究，探讨沥青路面表面裂纹扩展机理。采用车轮-路面相互作用接触模型，研究了车辙对 Top-down 裂纹扩展的影响，分析了车辙深度与不同深度 Top-down 裂纹的应力强度因子关系。研究了同时存在表面裂纹和反射裂纹的沥青路面在交通荷载作用下，表面裂纹和反射裂纹开裂机理及扩展路径，深入讨论了路面材料和结构对裂纹扩展路径的影响，分析了表面裂纹的位置对反射裂纹扩展路径的影响，采用多裂纹小梁弯曲实验验证了多裂纹的扩展行为。 2. 基于水泥稳定基层沥青路面反射裂缝产生机理，在剖析常规施工方法弊端的基础上，提出了一种适用于水泥稳定基层沥青路面的基层、面层连续施工方法。为了配合该连续方法的实施，开发了一种路用水泥稳定基层材料抗裂缝剂，并通过试验研究证实了该抗裂缝剂的路用性能。通过试验路研究，证实了利用基层、面层连续施工方法铺筑的水泥稳定基层沥青路面，路面开裂较常规施工方法显著减少，证明了该施工方法在提高路面抗裂方面的有效性。同时，分析了基、面层连续施工方法抗裂的机理。分析表明，该施工方法主要是通过增加基层自身抗裂性能、减少基层含水量变化和成型初期温度变化幅度三个方面来减少基层自身的开裂，从源头上避免反射裂缝的产生；另外，该施工方法还可以提高基层、面层之间的粘结，从而将路面各结构层有机结合为一个整体，增强路面的整体结构性能，从事实现路面的抗裂能力的提升。最后，对该施工方法存在的不足进行了讨论，提出需要在基层压实度控制、层间粘结机理上进一步研究。 2100433B

为了节约资源,保护环境,降低整体费用，长寿命沥青路面应运而生。要实现沥青路面长寿命化，需探讨其破坏机理，预估其破坏寿命，以改进设计方法，限制破坏进入结构层。本研究针对长寿命沥青路面的Top-down裂纹破坏，考虑沥青混合料的粘弹材料属性，基于以耗散蠕变应变能为指标的沥青混合料断裂力学理论，利用无网格伽辽金/有限元耦合数值方法，建立长寿命沥青路面top-down裂纹的萌生和扩展物理仿真模型，研究长寿命沥青路面top-down裂纹破坏机理。通过对路面结构设计参数如材料属性、结构层厚度等的参数化分析，探求满足长寿命理念的沥青路面设计控制参数，限制top-down裂纹在设计寿命期进入路面结构层，为实现长寿命沥青路面混合料选择和厚度设计提供理论支持。

裂纹的形成是连铸过程中力学因素和冶金特性综合作用的结果，从裂纹的形成到出现，必须有作用应力，且材料本身不能承受此应力。因此，要理解连铸中各类裂纹的形成过程，就需要了解应力源和材料的高温特性，特别是延展性。而且需要指出的是，裂纹形成不见得均匀进行，可能有明显的裂纹开始和扩张阶段。下面就几种典型的表面裂纹和内部裂纹的形成机理进行分析。

连铸坯裂纹表面横向裂纹的形成机理

有证据表明，表面横向裂纹的早期形成阶段，出现在结晶器内的高温区，并且与振痕附近的偏析有关。这些区域熔点低，且由于向结晶器的热传输降低，而使温度较高，从而导致热扯裂。当碳含量达到出现包晶的程度时，表面横向裂纹增加，尽管表面横向裂纹的早期形成阶段，可能位于结晶器内，但这些缺陷变大、变多则是在结晶器之后的低温区，当其受到来自各种渠道的应力作用，特别是象铸坯矫直时那样的应力作用时，当这些应力出现在延展性差的温度范围内，表面横向裂纹很严重。由于热延展性受微合金影响强烈，所以有报道认为，这就是微合金元素影响表面横向裂纹的机理，除微合金元素析出物在表面横向裂纹的形核方面起一定作用外，振痕也有利于裂纹的扩张。这是由于振痕下的晶粒尺寸较粗大，且凹口形的几何形状也会使应力集中。

连铸坯裂纹表面纵向裂纹的形成机理

连铸坯表面纵向裂纹的产生往往与表面纵向凹陷相伴随。据认为，连铸坯表面纵向凹陷、裂纹是在结晶器弯月面附近产生，在二冷区得到扩展，因此，其根源在于钢水在结晶器内的凝固行为及其影响因素。各种原因导致的不均匀传热和不均匀凝固会造成铸坯凹陷，凹陷部位冷却和凝固速度比其他部位慢，结晶组织粗化，对裂纹敏感性强。坯壳出结晶器后受到喷水冷却和钢水静压力引起的膨胀作用，在凹陷的薄弱处造成应力集中而产生裂纹。坯壳表面凹陷越深，坯壳厚度不均匀性就越严重，纵裂出现的几率越大。

成分、结晶器状况、过热度、拉速、保护渣甚至是操作等导致的不均匀传热，都增加了铸坯产生表面纵向凹陷和裂纹的几率。

连铸坯裂纹内部裂纹的形成机理

最初在结晶器中形成的2-5mm厚的凝固壳为细小的等轴晶，之后凝固组织变为柱状晶。柱状晶的方向基本上与坯壳表面垂直，且平行于热流方向。随着凝固的进行，S,P等元素发生偏析，在固液界面前沿及枝晶之间富集。含S,P较高的晶界在大体积材料的固相线温度Tsol下仍处于液态，对于与柱状晶方向垂直的拉应力或拉应变而言，处于液相的晶界几乎没有塑性。开始出现零塑性的温度ZDT比固相线温度低30 ~ 70℃,当结晶器摩擦力引起的应力、坯壳鼓肚应力、热应力、矫直应力、以及由于导辊变形、不对中引起的附加机械应力作用于凝固前沿时，凝固界面率先沿柱状晶晶界开裂形成裂纹，并向固相扩展，同时凝固前沿富含溶质元素的钢水有可能被“抽吸”进入裂纹。这就是内裂纹有时伴随着偏折线一起出现的原因。

初始形成的裂纹沿柱状晶晶界向固相扩展，由于温度逐渐降低，塑性和强度逐渐上升，或遇到表层等轴晶区，裂纹扩展被抑制。在随后的凝固过程中，如果凝固前沿继续受到应力或应变的作用，则已形成的内裂纹将随着凝固界面的推进而连续“生长” 。