何天貴， 陳 軍， 張青軍， 羅 輝

(1.華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074;2.河南省交通建設工程有限公司， 河南 鄭州 450000)

裂紋是瀝青砼路面的主要病害，新建公路在使用2～3年后都會出現(xiàn)大量裂紋，嚴重影響路面的壽命和使用性能。路面裂紋按裂紋擴展方向分為表面裂紋和反射裂紋，目前國內學者對表面裂紋和反射裂紋作了大量研究[1～6]。這些研究主要局限于瀝青砼路面單獨存在表面裂紋或反射裂紋的情況，而現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)[7]，路面局部范圍內含有密度較大的網(wǎng)裂，或表面與底面相對應較小范圍內同時含有表面裂紋和反射裂紋(文中簡稱相對裂紋)。

相對裂紋是單裂紋路面的進一步惡化，一般是路面在荷載作用下先出現(xiàn)表面裂紋或反射裂紋，隨著荷載的循環(huán)作用，相對面也出現(xiàn)了裂紋，使裂紋的受力狀況發(fā)生了一定程度的改變，其對裂紋的擴展會有一定的影響，但目前很少有人對此進行研究，本文從室內試驗的角度對相對裂紋中表面裂紋對反射裂紋的擴展影響作初步研究。

1 相對裂紋擴展機理

在車輛荷載作用下，表面裂紋受壓，反射裂紋受拉[8]。假定表面裂紋位于反射裂紋右側，均布荷載P布置在反射裂紋正上方，詳見圖1。當無表面裂紋時，反射裂紋兩側受力對稱，其在荷載P作用下屬于典型的Ⅰ型裂紋，其裂紋擴展趨勢是豎向；當有表面裂紋時，其對荷載的傳遞具有阻斷作用，使近反射裂紋右側BD區(qū)的砼承受了比左側AB區(qū)更大的荷載，造成反射裂紋兩側受力不對稱，此時反射裂紋屬于典型的Ⅰ-Ⅱ復合型裂紋。變形見圖中虛線所示，反射裂紋裂尖從E移到E′處，在荷載重復作用下，此范圍內的砼首先破壞，裂紋從此處起裂。

圖1 荷載作用下裂紋變形情況

2 試 驗

2.1 材料與級配

試驗所用材料均取自河南省漯河市。粗集料最大粒徑26.5 mm；細集料最大粒徑9.75 mm；礦粉由石灰?guī)r磨細而得。瀝青為重交70#道路瀝青，各項指標為：針入度(25℃，100 g，5 s)為67.5(0.1 mm)，延度(5 cm/min，15℃)150 cm，軟化點(環(huán)球法)49.9℃，閃點(開口)230℃?；旌狭项愋蜑橹辛Ｊ紸C-20，級配組成見表1，油石比5%。

表1 AC-20級配組成

2.2 試驗方案

試件共分4組，每組4個，裂紋用切割機預制，所有反射裂紋均位于試件中間，每個試件寬度均為50 mm。第一組試件僅有反射裂紋，厚度h=60 mm；第二組表面裂紋位于反射裂紋右側，間距d=50 mm，厚度h=80 mm；第三組表面裂紋位于反射裂紋左側，間距d=50mm，厚度h=80 mm；第四組表面裂紋位于反射裂紋右側，間距d=80 mm，厚度h=80 mm。試件尺寸見圖2。

圖2 試件尺寸及裂紋位置

采用小梁彎曲試驗演示反射裂紋的擴展路徑，加載儀器為W7-972型液壓式萬能材料試驗機，最大量程100 kN，加載速率控制在2 mm/min以內，試件加載布置見圖3。

圖3 試件加載

2.3 試件制作

試模尺寸300 mm×300 mm，高度根據(jù)需要調整，試件嚴格按照輪碾法要求制作[9]，用QCX-4型輕便式車轍式樣成型機碾壓，雙向各碾壓14次，每個試模制作一個大試件，共制作4個大試件。試件成型12 h后脫模并養(yǎng)護5 d，用切割機將每個大試件切割成4個小試件，作為一組，小試件尺寸符合2.2節(jié)中的要求。

3 結果與分析

3.1 起裂角

起裂角為裂紋初始起裂方向與豎向的夾角，是預判裂紋擴展趨勢的重要指標，裂紋分布和試件受力情況是影響起裂角的重要因素。試件中點承受集中荷載，加載速率2 mm/min，加載至裂紋擴展失穩(wěn)，測得各個試件的起裂角見表2。

從表2可知，反射裂紋起裂偏向表面裂紋的一側，即表面裂紋影響了反射裂紋的起裂方向。起裂角的大小與表面裂紋距反射裂紋的距離有關，距離越小，起裂角度越??；距離越大，起裂角度越大。但是，起裂角不可能無限增大，當表面裂紋位于支點上方時(此時間距最大)，顯然此時表面裂紋的存在并不影響起裂角，與無表面裂紋時相當，因此，起裂角度隨距離增大先增大，后減小。

分析表2數(shù)據(jù)，雖然同組試件的起裂角度變化幅度較大，甚至試件3-4、4-3的起裂方向與表面裂紋方向相反，但總體趨勢與表面裂紋的位置一致。由于瀝青砼的非均質性，裂紋擴展主要沿著集料表面進行，因此，裂紋起裂處集料顆粒大小不一是影響起裂角變化幅度較大的主要原因。

表2 反射裂紋起裂角

3.2 擴展路徑

從每組試件里選擇有代表性的試件并在一起進行對比，見圖4，圖中曲線為裂紋擴展路徑。裂紋總體擴展趨勢均是從下往上，主要特點為：試件1-1沒有表面裂紋影響，起裂角度很小，擴展路徑幾乎豎直向上；試件2-3、3-1、4-3在初始階段均偏向表面裂紋，隨后反向斜向上擴展，當裂紋擴展至反射裂紋正上方時，裂紋隨即調整為豎向。由此，可將裂紋擴展分為三個階段：初始階段、調整階段、豎向階段，經(jīng)過這三個階段的擴展，使反射裂紋擴展的總體趨勢依然是從下往上。從圖4中可以看出，表面裂紋的存在對裂紋擴展的初始階段影響較大，隨著擴展，影響逐步減小，荷載作用位置對裂紋擴展仍占主導因素，使其仍向上擴展。

圖4 裂紋擴展路徑對比

從第1節(jié)知道，表面裂紋的存在，使表面裂紋一側的砼受力大于另一側，致使裂紋斜向(偏向表面裂紋)起裂。隨著擴展，裂紋尖端距離荷載作用點越近，荷載對裂紋的影響也就越大，裂紋擴展路徑逐步轉向荷載作用點一側，當擴展至荷載正下方時，裂紋尖端兩側受力趨于均衡，其擴展路徑也就逐步調整為豎向。

3.3 彎拉強度

采用三點彎曲實驗的彎拉強度計算式[9]：

式中，F(xiàn)為試樣破壞時的最大載荷(N)；B、H、L分別為試樣的寬度、高度和跨距(mm)。

從表3數(shù)據(jù)分析可知：當無表面裂紋時，試件抗折強度最大，說明表面裂紋的存在明顯降低了強度；隨著裂紋間距的增大，抗折強度降低，當表面裂紋位于支點上方時(此時間距最大)，顯然此時表面裂紋的存在并不影響強度，與無表面裂紋時相當，因此，試件的抗折強度隨間距的增大先減小，后增大；只要間距相同，表面裂紋的位置(左側或右側)對強度無明顯影響。

表3 試件彎拉強度計算值

4 結 論

(1)表面裂紋影響反射裂紋的起裂角度大小和方向。起裂角度大小與間距有關，一般隨間距增大，先增大后減?。黄鹆逊较蚺c表面裂紋的方位一致。

(2)表面裂紋影響反射裂紋的擴展路徑。將擴展路徑分為初始階段、調整階段、最終階段，表面裂紋對初始階段影響較大，裂紋斜向起裂，隨后逐步調整為豎向，使擴展路徑呈明顯的曲線狀。

(3)表面裂紋影響試件彎拉強度。隨間距的增大，試件彎拉強度先減小后增大。

[1] 鄭建龍, 張起森. 半剛性路面反射裂紋及其應力強度因子的有限元分析[J]. 巖土工程學報, 1990, 12(3): 22-31.

[2] 羅 輝，李芳武，朱宏平，等. 瀝青路面表面裂紋擴展機理研究[J]. 應用基礎與工程學學報，2010，18(3): 453-460.

[3] Luo H, Zhu H P, Miao Y, et al. Simulation of top-down crack propagation in asphalt pavements[J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering) 2010, 11(3): 223-230.

[4] Miao Y, He T G, Yang Q, et al. Multi-domain hybrid boundary node method for evaluating top-down crack in asphalt pavements[J]. Engineering Analysis with Boundary Element， 2010, 34: 755-760.

[5] 苗 雨, 萬云冬, 張紹敏. 含反射裂紋的瀝青路面動力響應分析[J]. 巖土力學, 2009, 30(8): 2511-2516.

[6] 毛 成. 瀝青路面裂紋形成機理及擴展研究[D]. 成都:西南交通大學, 2004.

[7] 張韶敏. 重交通荷載作用下瀝青混凝土路面結構破壞機理與對策研究[R].漯河: 河南省漯河市公路管理總段, 1998.

[8] 尤 曉, 王梓夫. 現(xiàn)代道路路基路面工程[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

[9] JTJ 052-2000. 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].