随着我国道路运输事业迅猛发展,水泥路面作为主要路面铺装结构类型之一,已于公路、城市道路、港口道路和机场跑道中广泛应用。以接缝式水泥路面为主,采用嵌缝材料对接缝进行密封,保持路面的整体性、平顺性和密水性,提高水泥路面耐久性和服务品质。但是,在行车荷载及环境的综合作用下,易造成嵌缝料功能失效,致使水泥路面产生断裂、错台、唧泥等病害,严重影响了水泥路面使用寿命和路用性能。本文基于数值模拟计算方法,研究水泥路面嵌缝料受力与变形特性,研发满足水泥路面力学和路用性能要求的聚合物改性沥青基嵌缝料,使嵌缝料更好适应水泥路面接缝处工作条件,对提高嵌缝料耐久性,促进水泥路面又好又快发展和应用具有重要意义。首先,采用有限元分析方法建立水泥路面结构数值模型,在静力学分析中,针对接缝变形、宽度、温度差变化等因素影响,相应提出嵌缝料变形指标。结果表明,当荷载完全作用在嵌缝料上时为最不利受力工况;提高嵌缝料弹性模量和泊松比有助于减小路表竖向位移,改善受力状态;随着路表温度升高或降低,嵌缝料主应力将呈线性显著增大或下降,温差过大会使嵌缝料在水平方向上产生较大主应力,并使嵌缝料接缝张开量较大,导致脱粘、拉裂等现象;嵌缝料在水平方向上的变形指标应将温度变化作为其主要参考对象,减少因温差较大而使嵌缝料处于不利受力状态。其次,研究了移动荷载作用下路面结构动力的响应,提出嵌缝料的力学指标,并结合静载作用下分析结果,确定嵌缝料最优几何尺寸。结果表明,与静载工况相比,当动荷载轴载为200 KN时,嵌缝料的拉伸应力和压缩应力是静力作用下的1.3倍,剪切应力是静力作用下的3.6倍;行车速度增加将对嵌缝料受力产生严重不利影响;当嵌缝料宽度为10 mm、深宽比为1:3时,受力状态得到明显改善。然后,为提高嵌缝料的性能,分别采用SBS、形状记忆聚氨酯和有机硅对沥青基嵌缝料进行改性,研发满足上述变形和力学指标的聚合物改性沥青基嵌缝料,并研究聚合物改性沥青基嵌缝料的热稳定性、相组成、改性剂与沥青间的相容性、微观形貌、元素组成等。结果表明,改性剂提高了沥青热稳定性,且改性剂与沥青官能团发生反应生成新基团,使改性剂和沥青有较好的相容性。SBS和形状记忆聚氨酯吸收沥青中某些组分发生溶胀,使沥青组分的含量产生变化,改善沥青性能;有机硅加入沥青,没有明显的化学反应变化发生,而是通过物理共混过程达到对沥青的改性。其中,形状记忆聚氨酯对沥青基嵌缝料的改性效果最佳,能明显改善嵌缝料热稳定性、抗老化性能,提高嵌缝料的耐久性。最后,研究了各种聚合物改性沥青基嵌缝料的低温延展性、高温流动性、弹性恢复性等路用性能,并对其力学性能进行测试。结果表明,改性剂对沥青路用性能及力学性能具有良好改善效果,且能够满足嵌缝料力学指标的要求。当选用掺量为8%时的形状记忆聚氨酯改性的沥青基嵌缝料性能远优于其它配方,对嵌缝料路用性能和力学性能的改性效果最佳。因此,推荐采用掺量为8%的形状记忆聚氨酯沥青为水泥路面嵌缝料,以适应水泥路面的路用性能要求,延长嵌缝料的使用寿命,提高密封效果,提升水泥路面耐久性具有重要的意义。