覃瀟 申愛琴 郭寅川 周勝波,2 何天欽

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2.廣西交通科學(xué)研究院, 廣西 南寧 530007)

多場(chǎng)耦合下路面混凝土細(xì)觀裂縫的演化規(guī)律*

覃瀟1申愛琴1郭寅川1周勝波1,2何天欽1

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2.廣西交通科學(xué)研究院, 廣西 南寧 530007)

細(xì)觀裂縫的演化與空間展布規(guī)律是影響路面混凝土耐久性的關(guān)鍵因素.為明確寒冷地區(qū)路面混凝土在實(shí)際工作環(huán)境下結(jié)構(gòu)內(nèi)部微裂縫的萌生、擴(kuò)展、壓縮等演化規(guī)律,基于多場(chǎng)疲勞試驗(yàn),針對(duì)路面混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了SEM、CT掃描及圖像分割,通過(guò)對(duì)比分析荷載單場(chǎng)、荷載-凍融雙場(chǎng)及荷載-凍融-干濕循環(huán)三場(chǎng)耦合下的裂縫面積密度、平均裂縫寬度、最大裂縫長(zhǎng)度及盒分形維數(shù)特征,從細(xì)觀尺度揭示了不同荷載水平、耦合方案下微裂縫的動(dòng)態(tài)損傷發(fā)展規(guī)律.結(jié)果表明:單荷載作用下,隨荷載次數(shù)增加,最大裂縫長(zhǎng)度呈萌生-閉合-延伸交替變化,寬度表現(xiàn)為壓縮-擴(kuò)張交替變化,分形維數(shù)先增后減;荷載-凍融雙場(chǎng)耦合引發(fā)的結(jié)晶膨脹應(yīng)力促使裂縫面積密度及最大裂縫長(zhǎng)度單調(diào)增加,80%荷載水平時(shí),混凝土在較小裂縫長(zhǎng)度、寬度下便發(fā)生疲勞破壞;荷載-凍融-干濕循環(huán)三場(chǎng)耦合下,附加干縮應(yīng)力沿裂縫方向產(chǎn)生收縮應(yīng)力,在垂直裂縫方向產(chǎn)生壓縮應(yīng)力,促使裂縫沿長(zhǎng)度方向延伸,寬度減小,同時(shí)伴隨更多微裂縫成核.

裂縫演化；多場(chǎng)耦合；路面混凝土；圖像分割；動(dòng)態(tài)損傷；發(fā)展規(guī)律

近年來(lái),相當(dāng)數(shù)量的水泥混凝土路面在運(yùn)行3～5年就發(fā)生開裂、斷板、板底脫空等病害,不僅造成耐久性大幅下降,且安全性能堪憂[1- 2].究其原因,在于路面混凝土直接裸露在行車荷載與大氣環(huán)境中,長(zhǎng)期受到彎拉荷載、溫度和濕度等多物理場(chǎng)的非線性耦合作用,工作環(huán)境復(fù)雜,而目前設(shè)計(jì)當(dāng)中尚未考慮多因素對(duì)路面混凝土的耦合作用效應(yīng)[3- 7].尤其對(duì)于氣候惡劣的北方寒冷干濕交替區(qū),路面混凝土在荷載-凍融-干濕循環(huán)的不斷作用下極易加劇裂縫發(fā)育,最終導(dǎo)致疲勞破壞,而混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)觀裂縫的萌生、擴(kuò)展及貫通直接決定結(jié)構(gòu)斷裂破壞以至宏觀失穩(wěn)[8].

目前對(duì)于混凝土裂縫的相關(guān)研究多側(cè)重于力學(xué)理論基礎(chǔ)上的宏觀斷裂破壞[9- 12],此種方法僅能從整體上把握混凝土宏觀性能變化規(guī)律,而無(wú)法獲知混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫從萌生到形成宏觀裂縫的整個(gè)損傷發(fā)展過(guò)程,難以從本質(zhì)上揭示混凝土破壞的物理機(jī)制.因此，要深入揭示路面混凝土在多場(chǎng)作用下的裂縫演化損傷破壞機(jī)制,需從細(xì)觀尺度水平入手開展研究.國(guó)內(nèi)外有關(guān)細(xì)觀尺度水平微裂縫的研究成果主要集中于假定裂縫理論模型基礎(chǔ)上的數(shù)值模擬研究[13- 15],然而由于理論模型過(guò)于理想化、不符合結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫彌散分布的實(shí)際情況,模擬得到的預(yù)測(cè)結(jié)果通常誤差較大.因此，基于數(shù)字化圖像處理技術(shù)[16- 19]研究多場(chǎng)耦合作用下路面混凝土細(xì)觀裂縫的演化規(guī)律,對(duì)于揭示路面混凝土破壞機(jī)理、解釋混凝土路面在實(shí)際工作環(huán)境下的性能動(dòng)態(tài)變化過(guò)程具有重要意義.

文中針對(duì)我國(guó)寒冷干濕交替區(qū)的路面混凝土,借助荷載單場(chǎng)、荷載-凍融雙場(chǎng)以及荷載-凍融-干濕循環(huán)三場(chǎng)耦合下的疲勞試驗(yàn),采用SEM、CT試驗(yàn)和圖像分割技術(shù)對(duì)細(xì)觀裂縫進(jìn)行定量化分析,通過(guò)研究裂縫面積密度、平均裂縫寬度、最大裂縫長(zhǎng)度及分形維數(shù)特征,揭示不同荷載水平、耦合方案下路面混凝土的細(xì)觀裂縫演化規(guī)律.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料及配合比

水泥采用冀東P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥;礦物摻合料為銅川S95級(jí)礦粉及韓城Ⅰ級(jí)粉煤灰,技術(shù)指標(biāo)見表1;粗集料采用富平石灰?guī)r碎石,分為4.75～9.50 mm和9.50～19.00 mm兩檔,混合比例為1∶4,性能指標(biāo)詳見表2;細(xì)集料采用灞橋河砂,細(xì)度模數(shù)為2.6,表觀密度為2.65 g/cm3;外加劑為KDSP-1型高性能減水劑,減水率為25%,含氣量為3%～6%;水為西安市政自來(lái)水.

表1 礦粉及粉煤灰技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexs of slag and fly ash

表2 粗集料基本性能指標(biāo)Table 2 Fundamental property indexs of coarse aggregate

考慮重載、特重交通條件,路面混凝土28 d抗彎拉強(qiáng)度應(yīng)分別不低于4.5和5.0 MPa,故以C30、C40路面混凝土為對(duì)象進(jìn)行多場(chǎng)耦合下的微裂縫演化規(guī)律研究.摻加礦物摻合料的混凝土強(qiáng)度完全形成約需90 d,因此研究中混凝土養(yǎng)護(hù)齡期為90 d.經(jīng)耐久性優(yōu)化后的路面混凝土配合比見表3.

表3 路面混凝土配合比Table 3 Mix proportion of pavement concrete

1.2 疲勞試驗(yàn)方法

根據(jù)JTG_E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》成型100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件,將其移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度(20±1) ℃,相對(duì)濕度≥95%)中放置90 d.彎拉荷載疲勞試驗(yàn)采用MTS-810疲勞試驗(yàn)機(jī)開展,考慮到行車荷載與路面的接觸狀態(tài)呈動(dòng)態(tài)變化,采用正弦波三分點(diǎn)加載,加載頻率10 Hz,低高應(yīng)力比0.1;為模擬耦合環(huán)境，將以上疲勞試驗(yàn)機(jī)與BE-T-H150H8型可程式恒溫恒濕箱進(jìn)行合理組裝，為水泥混凝土試件提供密閉試驗(yàn)環(huán)境，改裝后的疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖1所示.考慮交通荷載作用的瞬時(shí)性及凍融、干濕循環(huán)的時(shí)效性，路面混凝土在實(shí)際工作環(huán)境中并非持續(xù)經(jīng)受多場(chǎng)耦合作用，因此除耦合作用時(shí)間段外，還設(shè)置交替作用階段.為提高試驗(yàn)效率，混凝土的交替作用階段采用單獨(dú)的疲勞試驗(yàn)機(jī)、快速凍融試驗(yàn)機(jī)及恒溫恒濕箱進(jìn)行模擬.試驗(yàn)按時(shí)間遞進(jìn)次序選擇4個(gè)階段點(diǎn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ進(jìn)行,每階段均在前一階段基礎(chǔ)上累計(jì)進(jìn)行,在各階段結(jié)束后進(jìn)行細(xì)觀裂縫表征試驗(yàn).

圖1 耦合環(huán)境疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Fatigue tester with coupling functionality

1.3 參數(shù)確定及耦合方案設(shè)計(jì)

1.3.1 疲勞荷載應(yīng)力水平

當(dāng)應(yīng)力低于0.3fcu(fcu為混凝土抗彎拉強(qiáng)度)時(shí),路面混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變成線性關(guān)系,其破壞所需周期較長(zhǎng);當(dāng)應(yīng)力超過(guò)0.3fcu后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性,并會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成塑性損傷;若施加應(yīng)力過(guò)高(>0.8fcu),試件易過(guò)早發(fā)生破壞,難以對(duì)其微裂縫演化狀態(tài)進(jìn)行有效捕捉.因此,疲勞荷載應(yīng)力水平設(shè)為30%、50%和80%,分別對(duì)應(yīng)高周低荷載水平、普通荷載水平和低周高荷載水平損傷3種情況.疲勞試驗(yàn)機(jī)加載速率為3.6萬(wàn)次/h.

1.3.2 溫度及濕度水平

針對(duì)路面混凝土耐久性分區(qū)所對(duì)應(yīng)的凍融地區(qū)溫濕環(huán)境,選擇凍融循環(huán)范圍為-18～5 ℃,干濕循環(huán)范圍為40%～80%,每次凍融循環(huán)時(shí)間與干濕循環(huán)時(shí)間均為4 h,持續(xù)進(jìn)行.

1.3.3 耦合方案

為明確耦合條件對(duì)路面混凝土裂縫演化的影響，設(shè)計(jì)荷載單因素及荷載-凍融雙因素組作為對(duì)照組，耦合方案見表4.由于80%荷載水平與溫濕度耦合時(shí)存在材料損傷較快的現(xiàn)象，因此適量減少其荷載、凍融次數(shù)及測(cè)試間隔,對(duì)于三場(chǎng)與雙場(chǎng)、單場(chǎng)耦合之間的作用次數(shù)關(guān)系同樣按以上原則設(shè)計(jì)，其中80%荷載水平下三場(chǎng)耦合試驗(yàn)僅包括3個(gè)階段.

表4 耦合試驗(yàn)方案1)Table 4 Coulping tests program

1)表中百分?jǐn)?shù)表示荷載水平；疲勞荷載加載單位為“萬(wàn)次”，凍融循環(huán)單位為“次”，干濕循環(huán)單位為“月”；均對(duì)各組耦合試驗(yàn)最后階段結(jié)束前未斷裂的試件加載至疲勞破壞.

本研究設(shè)計(jì)的耦合階段與交替階段順序見圖2.

圖2 耦合與交替階段試驗(yàn)順序流程圖

Fig.2 Flow diagram of test sequence for coupling and alternative stages

1.4 路面混凝土細(xì)觀裂縫表征方法

混凝土裂縫分為小尺度與大尺度裂縫,試驗(yàn)采用日本Hitachi S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試件表面的小尺度裂縫,采用ACTIS300-320/225CT/DR高分辨率工業(yè)CT對(duì)疲勞破壞的試件進(jìn)行大尺度裂縫無(wú)損表征.經(jīng)掃描后對(duì)SEM以及CT圖像進(jìn)行增強(qiáng)與分割,采用Image-Pro Plus軟件進(jìn)行圖像特征參數(shù)提取(見圖3),裂縫參數(shù)包括裂縫面積密度、平均裂縫寬度、最大裂縫長(zhǎng)度及盒分形維數(shù).

圖3 C40混凝土SEM及CT圖像分割Fig.3 SEM and CT image segmentation of C40 concrete

分形維數(shù)可從總體上描述微裂縫的分布特征,其值越大,裂隙分布越不均勻，擴(kuò)散系數(shù)越大.分形維數(shù)通過(guò)計(jì)盒維數(shù)法計(jì)算:設(shè)A為混凝土數(shù)字圖像構(gòu)成的平面集合,C為裂縫集合,在圖像A上以δ為尺度用Matlab實(shí)施正方形網(wǎng)格劃分(見圖4),δ取值為δ=2i,其中i=1，2，…，n.改變?chǔ)牡拇笮。涗汣與正方形網(wǎng)格相交的數(shù)目N,對(duì)N和δ同時(shí)取對(duì)數(shù)作圖,并利用最小二乘法進(jìn)行擬合回歸,得到曲線斜率的負(fù)值，即為微裂縫的盒維數(shù)(D),具體由式(1)、(2)計(jì)算：

(1)

1gN=1gC-Dlgδ

(2)

圖4 網(wǎng)絡(luò)劃分示意圖Fig.4 Schematic diagram of mesh partition

2 荷載單因素作用下的裂縫演化規(guī)律

圖5(a)-5(d)為不同荷載水平下混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)裂縫參數(shù)與荷載次數(shù)、荷載水平間的關(guān)系.

由圖5(a)、5(b)中裂縫面積密度及寬度變化過(guò)程可知,隨著荷載次數(shù)的增加,細(xì)觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫面積密度逐漸增大,裂縫寬度出現(xiàn)收縮-擴(kuò)張交替變化,30%荷載水平時(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)為14.4萬(wàn)次,當(dāng)荷載水平超過(guò)50%后,寬窄交替變化愈加頻繁,出現(xiàn)14.4萬(wàn)次和21.6萬(wàn)次2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn).

圖5 荷載作用下的各階段裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)

Fig.5 Parameters of crack structure in different stages subjected to load

從圖5(c)最大裂縫長(zhǎng)度的變化過(guò)程可知,30%和50%荷載水平下細(xì)觀結(jié)構(gòu)最大裂縫長(zhǎng)度呈增大-減小-增大波狀變化,說(shuō)明其變化是萌生-閉合-延伸的交替過(guò)程;80%荷載水平時(shí)最大裂縫長(zhǎng)度單調(diào)增加,發(fā)展主要以延伸為主,可見80%的疲勞荷載在裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力足以超過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部阻力.對(duì)于以上現(xiàn)象,推測(cè)為應(yīng)力集中和應(yīng)力擴(kuò)散的綜合效應(yīng),荷載產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力可分解為沿裂縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力和沿著寬度方向的壓應(yīng)力,且剪應(yīng)力更大.

由圖5(d)可見,30%荷載水平時(shí)裂縫分形維數(shù)單調(diào)降低,而50%荷載水平和80%荷載水平時(shí),裂縫分形維數(shù)先小幅增加后迅速減小,可見荷載水平較小時(shí)由于裂縫長(zhǎng)度小,其彎折程度也小,而荷載水平超過(guò)50%時(shí),裂縫擴(kuò)展過(guò)程前期以彎曲路徑發(fā)展,而后期以單一方向發(fā)展為主.

總體來(lái)說(shuō),荷載單因素作用下路面混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)受到荷載壓縮和彎拉兩種作用效果的應(yīng)力,其中彎拉應(yīng)力起主要破壞作用.荷載作用下的混凝土疲勞是內(nèi)部應(yīng)力集中和應(yīng)力擴(kuò)散交替進(jìn)行的過(guò)程,混凝土最終疲勞斷裂時(shí)造成細(xì)觀結(jié)構(gòu)的裂縫面積密度增加、最大裂縫長(zhǎng)度延伸及裂縫寬度擴(kuò)張,伴隨著裂縫擴(kuò)展方向的隨機(jī)性減小,更易于沿著某些主裂縫方向進(jìn)行擴(kuò)展.

3 荷載-凍融雙場(chǎng)耦合作用下的裂縫演化規(guī)律

試驗(yàn)表明,混凝土在30%荷載水平下經(jīng)歷400萬(wàn)次疲勞荷載作用后尚未出現(xiàn)疲勞破壞,因此雙場(chǎng)耦合時(shí)不考慮該荷載水平.圖6(a)-6(d)為荷載-凍融循環(huán)耦合下混凝土細(xì)觀裂縫參數(shù)與耦合次數(shù)、荷載水平間的關(guān)系圖.

圖6 雙場(chǎng)耦合下的各階段裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)

Fig.6 Parameters of crack structure in different stages under the double-field coupling

由圖6可知,隨著耦合時(shí)間的延長(zhǎng),路面混凝土裂縫面積密度、平均裂縫寬度和盒分形維數(shù)的變化趨勢(shì)與荷載單獨(dú)作用時(shí)基本相同,但最大裂縫長(zhǎng)度存在差異,雙場(chǎng)耦合時(shí)最大裂縫長(zhǎng)度呈單調(diào)增加.由此可見,雙場(chǎng)耦合的應(yīng)力疊加效應(yīng)在裂縫尖端有較大應(yīng)力集中,未表現(xiàn)出單荷載下裂縫的萌生-閉合-延伸現(xiàn)象.80%荷載-凍融耦合比50%荷載-凍融耦合的最終裂縫最大長(zhǎng)度短,說(shuō)明高應(yīng)力水平下產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度更大,混凝土在較小的疲勞次數(shù)下就發(fā)生斷裂破壞.

對(duì)比圖5與圖6中Ⅳ階段結(jié)果發(fā)現(xiàn),與單荷載相比,雙場(chǎng)耦合下混凝土疲勞破壞時(shí)的裂縫演化規(guī)律如下:

(1)雙場(chǎng)耦合下混凝土裂縫寬度較窄,C30混凝土平均裂縫寬度分別較單場(chǎng)窄4.05 μm(50%荷載水平下)和7.8 μm(80%荷載水平下),而C40混凝土平均裂縫寬度較單場(chǎng)分別窄3.25 μm(50%荷載水平下)和6.15 μm(80%荷載水平下);50%荷載水平下雙場(chǎng)耦合最大裂縫長(zhǎng)度較大,C30和C40混凝土最大裂縫長(zhǎng)度分別比單場(chǎng)大51.85 μm和40.01 μm,80%荷載水平下雙場(chǎng)耦合最大裂縫長(zhǎng)度較小,C30和C40混凝土最大裂縫長(zhǎng)度比單場(chǎng)分別小222.55 μm和201.68 μm.說(shuō)明凍融循環(huán)在裂縫處產(chǎn)生的低溫結(jié)晶膨脹應(yīng)力主要沿平行裂縫長(zhǎng)度方向,且應(yīng)力集中程度較大,造成的混凝土變形主要發(fā)生在裂縫長(zhǎng)度方向,其中荷載水平為80%時(shí),由于內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力集中未能及時(shí)通過(guò)體積變形消散,故在較小裂縫長(zhǎng)度、寬度下結(jié)構(gòu)便發(fā)生脆性斷裂.

(2)50%荷載-凍融耦合時(shí),C30、C40混凝土裂縫面積密度較單場(chǎng)分別增加了0.56%和0.85%,而80%荷載-凍融耦合時(shí),C30、C40混凝土裂縫面積密度較單場(chǎng)分別小4.61%和3.43%,可見凍融和較低荷載應(yīng)力疊加時(shí)有更多微裂縫成核,而與較高應(yīng)力疊加時(shí)則主要造成裂縫長(zhǎng)度延伸.

對(duì)于分形維數(shù),50%荷載水平下雙場(chǎng)的比單場(chǎng)大0.011(C30混凝土)和0.003(C40混凝土),80%荷載水平下雙場(chǎng)的比單場(chǎng)大0.023(C30混凝土)和0.005(C40混凝土),以圖7中C40混凝土50%荷載水平作用下的單場(chǎng)、雙場(chǎng)微觀形貌及分割圖(分割圖中的標(biāo)記代表微裂縫和孔隙缺陷)為例,可推斷在凍融循環(huán)下,大孔隙中的自由水存在頻繁結(jié)晶膨脹現(xiàn)象,造成孔隙邊緣微裂縫成核,導(dǎo)致分形維數(shù)增加.

圖7 50%荷載水平下C40混凝土疲勞破壞的微觀形貌及分割圖

Fig.7 Micrographs and segmentation images of C40 concrete with fatigue damage under 50% loading condition

因此,凍融循環(huán)在裂縫處產(chǎn)生的低溫結(jié)晶膨脹剪應(yīng)力與荷載彎拉應(yīng)力疊加后,使結(jié)構(gòu)沿裂縫長(zhǎng)度方向產(chǎn)生更大應(yīng)力集中,同時(shí)大孔內(nèi)凍融結(jié)晶膨脹應(yīng)力方向隨機(jī)性強(qiáng),造成孔隙邊緣微裂縫大量匯集.

4 荷載-凍融-干濕三場(chǎng)耦合作用下的裂縫演化規(guī)律

圖8(a)-8(d)為荷載-凍融-干濕循環(huán)三場(chǎng)耦合下路面混凝土細(xì)觀裂縫參數(shù)與耦合次數(shù)、荷載水平間的關(guān)系圖,其中C30混凝土和C40混凝土變化規(guī)律相似.

由圖8可知,50%荷載水平下,三場(chǎng)耦合時(shí)裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)變化趨勢(shì)與荷載-凍融雙場(chǎng)耦合時(shí)相同,但在80%荷載水平下,由于路面混凝土疲勞壽命明顯縮短,平均裂縫寬度僅有下降段,裂縫分形維數(shù)僅有上升段.究其原因，在于在雙場(chǎng)基礎(chǔ)上疊加了干濕循環(huán),產(chǎn)生了附加收縮應(yīng)力,導(dǎo)致裂縫寬度壓縮程度大,且應(yīng)力越高裂縫壓縮持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng).此外，80%荷載水平三場(chǎng)耦合下的裂縫分形維數(shù)和最大裂縫長(zhǎng)度比50%荷載水平時(shí)有所降低,表明該條件下內(nèi)部應(yīng)力集中程度較大且快,體系不能及時(shí)通過(guò)結(jié)構(gòu)變形以緩解內(nèi)應(yīng)力的集中,導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)混凝土斷裂.

對(duì)比圖6與圖8可知,與雙場(chǎng)耦合相比,三場(chǎng)耦合下路面混凝土疲勞破壞時(shí)裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化情況如下:

圖8 三場(chǎng)耦合下的各階段裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)

Fig.8 Parameters of crack structure at different stages under the three-field coupling

(1)混凝土最大裂縫長(zhǎng)度較大,而裂縫寬度較窄.C30混凝土最大裂縫長(zhǎng)度較雙場(chǎng)增加了29.47 μm(50%荷載水平下)和32.03 μm(80%荷載水平下),C40混凝土最大裂縫長(zhǎng)度較雙場(chǎng)增加41.61 μm(50%荷載水平下)和17.21 μm(80%荷載水平下);C30混凝土平均裂縫寬度較雙場(chǎng)減小2.64 μm(50%荷載水平下)和8.04 μm(80%荷載水平下),C40混凝土減小1.32 μm(50%荷載水平下)和5.05 μm(80%荷載水平下).這表明在荷載-凍融耦合基礎(chǔ)上疊加干濕循環(huán)會(huì)促進(jìn)裂縫長(zhǎng)度延伸,抑制裂縫寬度擴(kuò)張.

(2)50%荷載水平三場(chǎng)耦合下C30、C40混凝土裂縫面積密度較雙場(chǎng)增加了0.23%和0.08%,80%荷載水平時(shí)C30、C40混凝土裂縫面積密度比雙場(chǎng)耦合下分別降低了0.93%和1.06%,主要是由于三場(chǎng)耦合下混凝土疲勞壽命明顯縮短造成的;C30混凝土裂縫分形維數(shù)較雙場(chǎng)增加了0.003(50%荷載水平下)和0.021(80%荷載水平下),C40混凝土增加了0.006(50%荷載水平下)和0.022(80%荷載水平下),表明干濕循環(huán)的疊加促使混凝土疲勞破壞時(shí)裂縫分布復(fù)雜程度增加.

以80%荷載水平雙場(chǎng)、三場(chǎng)下的C40混凝土微觀形貌及分割圖為例(見圖9),可見干濕循環(huán)促進(jìn)裂縫寬度壓縮,面積密度增加,尤其體現(xiàn)在沿裂縫長(zhǎng)度方向的延伸上,同時(shí)造成了細(xì)微裂縫進(jìn)一步成核.

圖9 80%荷載水平下C40混凝土疲勞破壞的微觀形貌及分割圖

Fig.9 Micrographs and segmentation images of C40 concrete with fatigue damage under 80% loading condition

5 結(jié)論

(1)荷載單獨(dú)作用時(shí),隨荷載次數(shù)增加,路面混凝土微裂縫面積密度單調(diào)增加,最大裂縫長(zhǎng)度變化呈萌生-閉合-延伸的交替狀態(tài),裂縫寬度則表現(xiàn)為壓縮-擴(kuò)張交替變化,裂縫分布復(fù)雜程度(分形維數(shù))則先增加后減小.

(2)荷載-凍融循環(huán)雙場(chǎng)耦合作用引發(fā)的結(jié)晶膨脹應(yīng)力疊加效應(yīng)促使裂縫密度及最大裂縫長(zhǎng)度單調(diào)增加;與單荷載作用相比,在疲勞破壞時(shí)存在更多微裂縫成核,荷載水平為80%時(shí),由于內(nèi)部產(chǎn)生的集中應(yīng)力未能及時(shí)通過(guò)體積變形消散,故在較小裂縫長(zhǎng)度、寬度下結(jié)構(gòu)便發(fā)生貫穿性斷裂.

(3)荷載-溫度-濕度三場(chǎng)耦合下的裂縫演化規(guī)律與雙場(chǎng)時(shí)相似,但因附加干縮應(yīng)力沿裂縫方向產(chǎn)生收縮應(yīng)力,在垂直裂縫方向產(chǎn)生壓縮應(yīng)力,促使裂縫沿長(zhǎng)度方向延伸,而寬度減小,同時(shí)伴隨更多微裂縫成核.

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Evolution Rule of Microcosmic Cracks in Pavement Concrete Under Multi-Field Coupling

QIN Xiao1SHEN Ai-qin1GUO Yin-chuan1ZHOU Sheng-bo1,2HE Tian-qin1

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China;2.Guangxi Transport Research Institute,Nanning 530007, Guangxi, China)

The evolution and spatial distribution rule of microcosmic cracks are two key factors affecting the durabi-lity of pavement concrete. In order to explore the evolution of microcracks initiation, propagation and compression for pavement concrete in actual working environment in cold regions, multi-field fatigue tests were conducted, and SEM, CT and image segmentation techniques were adopted to compare the crack characteristics such as area density, average width, maximum length and fractal dimension for specimens respectively in a single field, in double fields and in three-field coupling condition. Then, the dynamic damage rules of microcracks under different loading levels and with different coupling schemes were discussed in meso scale. The results show that (1) under the action of single load, the maximum length of cracks shows a “initiating-closing-extending” trend, while the average width reveals a “compressing-expanding” trend, and the fractal dimension first increases and then decreases with the increase of loading cycles; (2) the crystallization swelling stress initiated by loading-freezing-thawing coupling effect makes the crack area density and the maximum crack length both increase, and the concrete reveals fatigue failure with small crack length and width under 80% loading condition; (3) under the loading-freezing-thawing-wetting-drying three-field coupling condition, the additional dry shrinkage stress causes a shrinkage stress in the parallel direction of the crack and a compressive stress in the vertical direction of the crack, which makes the crack length increase, the crack width decrease, and more micro-cracks nucleate.

crack evolution; multi-field coupling; pavement concrete; image segmentation; dynamic damage; developing rule

2016- 08- 29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278059)；長(zhǎng)安大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(310821175014) Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51278059)

覃瀟(1992-),女,博士生,主要從事道路材料研究.E-mail:qinnao@126.com

1000- 565X(2017)06- 0081- 08

U 414

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.06.013