近年来,随着国民经济的发展,公路交通运输呈现出“大流量、重型化”特点,而沥青路面的质量和数量难以满足要求,从而为混凝土路面的发展提供了良好机遇。目前,混凝土路面在我国高等级公路中的应用越来越广泛,故对其性能进行深入系统的研究具有重要的意义。根据可持续发展的理念,混凝土路面结构设计要以路面全寿命周期的性能与成本作为衡量路面性能和经济性优劣的指标,即要体现“全寿命设计”的思想。纳米材料是一门新兴的并正在迅速发展的材料学科。由于其小尺寸,纳米材料在结构、物理和化学等方面具有许多独特的性质,已经成为当今材料科学领域研究的热点,被科学家们誉为“21世纪最有前途的材料”。纳米材料为发展多功能土木工程材料和改善传统土木工程材料的性能开辟了一条崭新的途径。然而,目前纳米材料在土木工程材料领域的研究与应用还很少。本文利用纳米材料的特殊性能,提出在普通路面混凝土中掺入适量的纳米材料,研制具有良好力学性能和耐久性能的纳米路面混凝土,并对其全寿命性能进行深入系统的研究。同时对PP纤维混凝土以及纳米材料与PP纤维混掺混凝土的相关性能进行了对比研究。主要研究内容如下:首先,通过试验分析确定掺加纳米材料、PP纤维以及两者混掺时混凝土的制备工艺;在普通路面混凝土配合比的基础上,确定纳米混凝土、PP纤维混凝土、纳米材料与PP纤维混掺混凝土的配合比;对各种混凝土的力学性能进行试验研究,分析纳米材料的种类和掺量对混凝土强度的影响规律,揭示纳米材料对混凝土强度的改善机理,进一步对混凝土的抗折强度与抗压强度的关系进行分析。其次,采用滚珠轴承法对各种混凝土的耐磨性进行试验研究,分析纳米材料的种类和掺量对混凝土耐磨性的影响规律,揭示纳米材料对混凝土耐磨性的改善机理;建立混凝土的耐磨性与其强度之间的关系。第三,分别采用压汞法和NEL法对各种混凝土的孔结构和抗渗性进行试验研究,分析纳米材料的种类和掺量对混凝土孔结构和抗渗性的影响规律,揭示纳米材料对混凝土孔结构和抗渗性的改善机理;建立混凝土的抗渗性与其强度以及孔结构之间的关系。第四,采用快冻法对各种混凝土的抗冻性进行试验研究,分析纳米材料的种类和掺量对混凝土抗冻性的影响规律,揭示纳米材料对混凝土抗冻性的改善机理;建立混凝土的冻融累积损伤模型,并采用该模型计算各种混凝土的使用寿命。第五,采用三分点法对各种混凝土的弯曲疲劳性能进行试验研究,建立各种混凝土的疲劳方程,并由此计算混凝土的理论疲劳寿命和理论应力水平;分析纳米材料的种类和掺量对混凝土弯曲疲劳性能的影响规律,揭示纳米材料对混凝土弯曲疲劳性能的改善机理;研究PZT阵列对纳米混凝土梁的弯曲疲劳累积损伤的监测,分析PZT信号在疲劳损伤过程中不同阶段的规律,发现了PZT信号中的声发射现象;采用落球法对各种混凝土的抗冲击性能进行试验研究。最后,综合路面结构全寿命周期费用分析、路面使用性能评价和预测、路面结构可靠度和耐久性设计等方面构建了混凝土路面结构的全寿命设计理论框架,提出了混凝土路面结构全寿命设计流程;给出了普通混凝土路面和纳米混凝土路面板厚的可靠度和耐久性设计示例。