低温开裂是沥青路面常见的三大类病害之一,也是世界性难题,一旦产生不加处置必然诱发严重次生病害,导致道路发生结构性破坏,造成巨大的经济损失。沥青混合料低温开裂是低温收缩、低温松弛和低温破坏三种性能综合作用所引起的,国内外学者对低温性能的表征展开了大量的理论和试验研究,大多研究聚焦在以低温松弛性能或低温破坏性能表征低温性能,导致对沥青混合料低温性能的评价较为片面。因此,低温开裂机理研究是深入且全面地获取沥青混合料低温性能的依据。针对上述问题,本文基于沥青混合料低温开裂机理,系统地研究了环境及材料组成因素对沥青混合料低温性能影响,明确了收缩-松弛竞争关系对其低温性能的作用,考虑沥青混合料黏弹特性,分别实现了对沥青混合料低温松弛性能和低温收缩性能的表征,结合沥青混合料的细观预测模型,量化细观组成及结构对其低温松弛性能和收缩性能的影响,以收缩-松弛在“时间域”内和“空间域”内竞争与低温性能的数理关系诠释沥青混合料的低温开裂机理。为此,本文主要开展了以下研究工作:考虑环境因素对低温开裂的影响,基于广义极值分布模型,分析寒季极端气候的统计特征,指导了试验条件参数的取值,结合环境因素对路面内温度场的分布,确定了研究对象的层位,建立了环境因素中降温速率与沥青混合料低温性能之间的关系;考虑材料组成对低温性能的影响,并结合在役路面使用情况,统一低温性能的评价方法,明确了沥青用量、沥青种类和级配结构对低温性能的影响;从低温开裂机理涉及要素出发,以10种沥青混合料为研究对象,指出收缩-松弛竞争关系决定了其低温性能。基于沥青基材料的黏弹特性,建立黏弹本构与低温松弛性能之间理论关系,实现了对沥青及沥青混合料低温松弛性能的表征,分析了沥青及沥青混合料黏弹特性与低温松弛性能对其低温性能的影响,考虑集料间嵌锁作用与空隙分布特征,基于沥青混合料有效复数模量的细观预测模型,确定了黏弹性嵌锁因子中参数的取值范围,建立了细观模型参数与CT所获取的骨架特征之间关系,量化了沥青混合料细观组成及结构对低温松弛性能的影响。为了深入研究沥青混合料低温收缩特性及其影响因素,借助数字散斑应变测试系统,获取了沥青及沥青混合料的稳态传热下的低温收缩应变,明确了沥青种类与级配类型对沥青混合料低温收缩的影响规律,并分析沥青及沥青混合料低温收缩特性对沥青混合料低温性能的影响;结合细观夹杂理论,通过对比方法优选不同级别分散相材料所适用的细观模型,鉴于粗集料间的相互作用,在优化Mori-Tanaka(MTM)模型参数的基础上统一了不同级配类型沥青混合料的低温收缩应变的预测模型,量化了沥青混合料细观组成及结构对其低温收缩应变的影响;考虑沥青混合料的热物理参数及环境箱内的对流传热特征,通过模拟计算试件表面温度与有效温度,建立了稳态传热与瞬态传热过程中低温收缩应变之间的关系,量化了瞬态传热对低温收缩性能的影响。为了从收缩-松弛竞争机制诠释低温开裂机理,将收缩-松弛竞争分为“时间域”和“空间域”的竞争,在“时间域”内的竞争中,从温度应力的控制方程出发,弥补了既有算法的不足,完成了温度应力与能量累积过程的计算,结合温度应力累积曲线实现对“时间域”内竞争的特征化,分别以强度和能量为低温开裂判据,实现了对沥青混合料低温性能的准确预测,探讨了收缩-松弛在“时间域”和“空间域”竞争的低温开裂机理;构建收缩-松弛竞争指标-单位温度累积应力,以评价低温性能的秩为原则,依据不同温度下的不同指标与低温性能的关系采用逐步型选元法,建立竞争指标与低温性能的数理关系。通过以上研究,揭示了收缩-松弛竞争关系对低温性能的决定作用,提出了沥青混合料低温松弛性能与低温收缩性能的细观预测方法,量化了沥青混合料细观组成及结构对其低温松弛性能和低温收缩性能的影响,建立了收缩-松弛在“时间域”和“空间域”内的竞争与低温性能的数理关系,诠释了收缩-松弛竞争下的低温开裂机理,为抗低温开裂沥青混合料的材料选择与设计提供依据。