裴建中：颗粒路面材料研究探索二十年

国家科学技术学术著作出版基金资助出版

《颗粒路面材料基础理论与服役行为》

裴建中 等著

北京：科学出版社，2025.1

道路，因人的出行需求而产生，为追求美好出行体验而不断发展。铺筑更好的坦途，让道路成就出行，让出行丰富生活，成为道路研究的源动力。

道路工程，已有数千年的建设使用历史。经济、安全、舒适是出行的核心需求，耐久、快速、智慧是道路研究的终极目标。但目前道路的建造理论、方法与技术还不够完备，实际运行效果与目标还有较大距离，若要从根本上认识和理解沥青路面，需要理念更新、理论创新、方法革新。

为了道路的施工可行性和运行平整性、舒适性，修筑道路时将大块岩石破碎成较为均匀且有一定级配的集料，损失了原岩体的整体性和高承载能力。集料颗粒具有了离散性和非连续性，所以需要沥青等结合材料，逐步恢复其刚度和承载力。集料颗粒的离散性，使道路材料和所形成的结构具有了天然缺陷，并伴随服役全过程进行传播、迁移和扩散；集料颗粒由无数个个体组成，每一个个体的可靠性以及个体之间连接的稳定性，决定了整体或最终的可靠性，复杂性升维。这种复杂性的根源，或是其颗粒性。

▲ 不同液体体积分数下的颗粒物质体系

沥青路面材料，从几何学角度，是由质量占比90%以上、体积占比85%以上的集料组成的颗粒体系，因其缺乏有序性和周期性，被认为是非晶系统。在唯象学角度，沥青路面车辙主要是集料颗粒流动变形造成，裂缝主要是集料颗粒间微损伤导致，水损坏主要源于沥青在集料颗粒表面的剥落。换一角度观察，颗粒的尺寸远小于道路结构三维方向上的最小尺寸，符合深入认识的基本假设。作为有限独立个体形成的群体，其几何上的非连续性导致一系列物理学、力学、传热学问题，成为一类独立的亟待解决的科学问题。目前对于这类工程材料的分析框架、基本原理和物质属性的认知较为有限。为研究的方便，作者探索性地提出颗粒路面材料(granular pavement material，GPM)的概念。

事实上，在沥青路面材料领域，采用颗粒的思想早已有之，级配设计、压实层厚、离析控制、车辙模拟与成因分析中均运用了颗粒的分析方法，认识到颗粒的不同尺度对于宏观性能的重要性。近年来，开展了颗粒属性表征、接触力模型、力链网络、临界状态等方面的研究，研究逐渐从宏观尺度深入到细观尺度，初步尝试从多尺度角度解释颗粒物质宏观流变破坏的内在机制。

▲ 沥青混合料多级分散体系示意图

随着对颗粒路面材料探究的深入，道路领域研究者们的疑惑也越来越多。颗粒路面材料是什么？其本质是什么？这些基本问题需要新的理论解释。路面结构的“生命”源于何时？什么才是决定路面结构最终性能和寿命的核心因素？是原材料的天然基因，还是设计(材料的平衡设计、结构的协同设计)，或是生产成型方式？这些问题的解答需要构建新的路面材料认识框架。沥青混合料拌和是最好的混合方式吗？是否存在一种无老化、无离析、无二次缺陷的更符合颗粒路面材料属性的混合方式？基于此，需要探索新的沥青路面建造工艺。

为此作者在该领域开展了长达二十余年的研究探索，开拓并发展了颗粒路面材料研究这一全新方向，总结形成《颗粒路面材料基础理论与服役行为》（裴建中等著．北京：科学出版社，2025.1）一书，主要包括以下几方面。

▋建立路面材料的离散颗粒、非连续性和缺陷体三大基准，分为几何、界面、堆积和流变四类问题进行系统探索，构建颗粒路面材料多尺度视域下服役行为的理论框架；开发颗粒流变和界面过程试验平台，实现不同阶段流变学和不同相介质界面过程试验研究，为从多个尺度认识并建立跨尺度关联提供了手段。

▲ 沥青混合料多尺度示意图

▋从几何形态和表面形貌两个尺度，完善颗粒形状、纹理、棱角、形貌等特性的量化评价方法；构建沥青-集料界面模型，揭示动水、温度、老化等作用下界面的黏附动力学，阐明颗粒路面材料多尺度下的几何属性与物理机制。

▲ 沥青-集料界面行为的多尺度特征

▋建立集料几何和表面特性与混合料流变及沥青-集料黏附性间的关系模型，实现了颗粒从有限个体到堆积群体的有机关联；针对“拌和、压实、服役”三阶段，建立基于颗粒的流变特性全温域评价方法；形成基于博弈论和颗粒形态形貌学的优化设计方法，实现了个体颗粒在混合料性能的显性表达和量化关联；阐释颗粒材料的时间-温度-应力等效特性，及其与速度-温度-荷载的对应法则，进一步论证沥青路面流变的多尺度行为和细观机制。

▲ 路面工程中常见的场及耦合关系

▋以颗粒路面材料的研究作为理论沃土，形成多个细分研究方向：道路工程创新至零理念与趋零体系，道路物理学与环境道路工程，计算路面材料学，沥青路面性能与寿命表达新体系，沥青路面材料平衡设计与结构协同设计方法，路面非平衡态动力学与全寿命演化行为理论，道路工程免修复与自修复体系，道路工程颗粒可靠性分析与风险评估等。这些研究方向，将道路的认识视野从宏观拓展到微、细观尺度，从工程学延伸到数学、物理学范畴，从工程、资源发展到环境、能源等领域。

本书相关研究得到了国家自然科学基金(50608006、51378073、52178408)、国家重点研发计划(2018YFE0103800)等项目的资助。本书的出版得到国家科学技术学术著作出版基金的资助支持。

本文摘编自《颗粒路面材料基础理论与服役行为》（裴建中等著．北京：科学出版社，2025.1）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-077386-9

杨 丹，15502918619

本书是作者二十余年路面颗粒体系研究成果的总结。为了探究沥青路面在交通荷载作用下的服役行为和设计理论，本书借助计算路面材料学方法对路面颗粒体系的几何问题、界面问题、堆积问题、流变问题等进行系统介绍。本书从路面颗粒体系的角度出发，采用多尺度联合表征手段进行了包括集料颗粒几何特性和物化特性、颗粒和空隙空间分布、颗粒运动规律等在内的路面颗粒材料试验研究和数值模拟，阐述了颗粒材料的形态、特性、级配和颗粒间界面等微细观特性与路用性能、病害机理间的相关关系及影响机制，旨在从颗粒角度认识和理解沥青混合料，从而阐释沥青混合料的物质属性和服役行为，以更好地完善沥青混合料的设计理论。

本书可供从事道路工程科研、教学和工程设计人员参考使用，也可作为相关专业师生的参考书。

（本文编辑：刘四旦）

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