我国现有的无砟轨道路基面纤维混凝土防水封闭层存在因冻融作用导致的开裂、破坏、粉化等问题,已经难以满足季节性冰冻区高速铁路路基防水封闭层的需求。为此,课题组依托中国铁路总公司“高寒地区高速铁路路基冻胀综合防治技术试验研究”率先研究了基于沥青混凝土的新型寒区防水封闭层结构。由于现阶段的沥青混合料防水封闭层设计体系尚不成熟,未充分考虑防水封闭层在60年的使用过程中性能衰变的问题。对此,论文基于京张高速铁路沥青混合料防水封闭层试验段,研究了冻融循环作用下防水封闭层的细观结构及其力学性能的演变规律,旨在提高寒区沥青混凝土防水封闭层的耐久性及延长其使用寿命。首先,论文通过对现有冻融循环的试验条件的调研分析,基于京张高速铁路张家口段的历史气候数据联合现有公路规范提出了室内快速冻融循环程序,该程序由三个不同温度按一定比例冷冻18小时(-5℃冷冻12小时,-15℃冷冻4小时,-25℃冷冻2小时)和25℃解冻6小时组成。其次,通过X-Ray CT扫描联合图像处理技术重构了冻融循环前后不同初始设计空隙率的沥青混合料试件的三维孔隙图,从可视化的角度认识到沥青混凝土内部结构在冻融循环的作用下,存在以下三种破坏形态:由于孔隙中的水结冰后的体积膨胀,使得孔隙体积增大;冻融的作用使得某些区域出现新孔隙;原有孔隙在新孔隙生成或体积增大后产生连通,而且其与试件初始空隙率无关。进一步地,通过数字图像处理程序获得的试件的三维空隙率、孔隙数量、孔隙等效直径及体积分形维数等参数,对冻融循环损伤过程中各种破坏形态随着冻融循环次数增加的比例进行研究。结果表明,初始冻融循环阶段,新孔隙的生成占据主导地位,而随着冻融循环次数的进一步增加,孔隙生成与孔隙的连通将趋近于平衡。此外,对比不同初始空隙率试件的结果,发现冻融损伤作用的程度与试件初始空隙率关联密切,当试件空隙率较大时,水容易通过表面大孔隙渗透进试件内部而加快冻融损伤。然后,采用单轴压缩动态模量试验研究冻融后的沥青混合料试件的力学性能变化规律,以15℃、10Hz下的动态模量值及动态模量主曲线揭示冻融循环对不同设计空隙率试件的损伤及全温度域性能的衰变规律。结果表明,以动态模量建立的损伤度随着冻融循环次数的增加而不断增大;而对比冻融循环前后试件的动态模量主曲线,可以发现主曲线形状会随着冻融循环次数增加而发生改变,主曲线显示沥青混合料在冻融循环作用下低频段差异尤为明显。进一步地,对比不同空隙率试件的动态模量及主曲线的变化情况,发现空隙率越大,试件的损伤度及主曲线随着冻融循环次数的变化愈显著。最后,基于课题组自主开发的界面剪切试验探究了集料与沥青的黏结特性随冻融循环的演变规律,获取了细观层面的界面剪切强度及滑移量两个参数,由此建立沥青混合料在冻融循环过程中的细观结构与材料参数体系。采用灰关联熵分析法对动态模量的各细观影响因素的相对显著程度进行分析。结果表明,各细观参数与动态模量变化关联度由大到小依次为:界面剪切强度,孔隙数量,孔隙体积分形维数,滑移量,孔隙等效直径,三维空隙率。