经过近30年的发展,我国的高速公路网已经基本建成,当下的主要发展目标是实现路面结构的长寿命。我国高等级路面结构的特色是采用半刚性基层的沥青路面。现今,影响半刚性基层沥青路面的主要病害已经从早年因水损害引起的网裂、龟裂变为以车辙、低温开裂及反射裂缝为主要损坏形式。其中,发生在半刚性结构中的流动型车辙问题日益严重,并出现一些值得思考的工程现象:传统认识中以上、中面层为主的车辙变形,出现向以中、下面层为主的转变;同时车辙的主要形式由以压密后路表下凹变为车轮下方沥青层向两侧挤压、隆起。而隐藏在现象背后的关键因素是半刚性基层沥青路面的倒装结构特性。传统的层位分工思想主要针对的是采用柔性基层的顺装结构。但在倒装结构中,主要早期病害的成因及特点都已存在差异。因此,针对倒装结构的特点提出有效控制路面损坏的技术对策是半刚性路面实现长寿命的前提。本文首先重点讨论了倒装结构的应力重分布现象,提出应力重分布与高温、重载的耦合作用是导致半刚性基层沥青路面出现流动型车辙的主因。同时结合试验路数据分析了不同路面结构类型对沥青层变形发展的影响,并指出倒装结构因素使面层的沥青混合料(hot-mixed asphalt,HMA)相比在顺装结构中更易出现非线性行为,并反映在力学参数上。同时进一步分析得出倒装结构中沥青层需要兼顾高、低温性能的认识,并基于HMA的细观组成阐述了针对倒装结构的特点从胶浆层面改善HMA路用性能的原因。其次,本文系统分析了基质沥青与SBS(styrene-butadiene-styrene)改性沥青的粘弹特性差异,及其与路面高、低温使用性能的联系;同时,对涉及基质沥青与改性沥青的统一性能评价方法进行了理论探索。此外,基于吉林省火山灰研究课题选取典型火山灰与SBS改性沥青或基质沥青组成复合胶浆,通过DSR(dynamic shear rheometer)测试论证了复合改性技术对于改善沥青胶浆高、低温性能的有效性,并结合对火山灰颗粒的微观试验分析讨论了火山灰复合改性的微观机理。然后,在胶浆试验研究的基础上,通过全温动态模量试验、低温三点小梁弯曲试验以及高温贯入试验,综合评价了以火山灰作为细填料的改性及非改性沥青混合料的高、低温性能。在试验中发现,火山灰细填料可以使SBS的改性效果相比使用矿粉进一步提高;但是,火山灰细填料无法脱离SBS改性沥青而单独提高混合料的性能。此外,具有良好颗粒特性的火山灰细填料可以充分发挥SBS的改性效果并使得HMA的高、低温性能同时得到改善,表现在低温下极限变形与破坏强度的提高,高温下模量增大且粘性蠕变减小,同时材料的抗剪强度也得到改善。本文以复合改性为契机,讨论了半刚性沥青路面实现长寿命的材料对策。此外,本研究基于光纤光栅量测技术,实现了在中、高温及动载下HMA的轴向变形与侧向变形的实时量测。一方面,探索了沥青混合料复数泊松比的量测方法。另一方面,通过重复加卸载试验,将沥青混合料的总应变分解为弹性应变、粘弹性应变及粘塑性应变三部分,并得到了各类变形对应的侧向与轴向应变比值;并发现HMA的永久变形与材料的泊松比存在一定相关性,且基质沥青与改性沥青的粘弹性与粘塑性行为差异明显。最后,综合讨论了半刚性路面对于沥青混合料的性能要求,提出层位组合设计中的材料参数协调原则。