戴程琳，張 勐，孫明志

(1.江西交通咨詢有限公司，南昌 330008；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；3.道路結(jié)構(gòu)與材料交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088)

鋼橋面鋪裝中常用的是環(huán)氧瀝青混凝土，隨著使用期的增長(zhǎng)各類病害逐漸發(fā)生，其中低溫開裂是最典型病害形式。受中國(guó)北方季凍區(qū)氣候特征的影響，鋼橋面鋪裝長(zhǎng)期處于反復(fù)的凍融循環(huán)作用下。反復(fù)的凍融循環(huán)作用不僅會(huì)對(duì)環(huán)氧瀝青鋪裝的抗裂性能產(chǎn)生較大影響，還會(huì)造成環(huán)氧瀝青鋪裝裂縫的擴(kuò)展，進(jìn)而引發(fā)鋼橋面鋪裝體系的破壞，危害嚴(yán)重。

Islam等[1]根據(jù)ASTM C1645中規(guī)定的凍融循環(huán)試驗(yàn)方法，對(duì)凍融處理前后的瀝青混凝土試件進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，隨著凍融作用的加強(qiáng)，瀝青混凝土彎拉剛度逐漸減小，劈裂強(qiáng)度無明顯變化。Feng等[2]的研究中，凍融循環(huán)試驗(yàn)的一個(gè)周期包含-20 ℃冷凍8 h和60 ℃水浴4 h，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同級(jí)配熱拌瀝青混凝土的體積和質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系呈正相關(guān)。Goh等[3]根據(jù)ASTM-C666中規(guī)定的快速多次凍融循環(huán)試驗(yàn)方法，并通過圖像處理技術(shù)得出結(jié)論：凍融循環(huán)次數(shù)越多，瀝青混凝土集料剝落現(xiàn)象越明顯。Attia等[4]根據(jù)ASTM D560和ASTM-C666中規(guī)定的凍融循環(huán)試驗(yàn)方法，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究表明，凍融作用不一定會(huì)造成再生瀝青混凝土回彈模量的衰減。?zgan等[5]研究表明瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度和瀝青飽和度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，孔隙率和礦料間隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。Diao等[6]的研究中，凍融循環(huán)試驗(yàn)的一個(gè)周期為4 h，其中冷凍時(shí)間為2.5 h和融化時(shí)間為1.5 h，研究結(jié)果表明凍融作用的加強(qiáng)，引氣混凝土的強(qiáng)度出現(xiàn)衰減狀況。Jamshidi等[7]進(jìn)行了不同儲(chǔ)存溫度下的凍融試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融次數(shù)大于12次后，水泥基材料會(huì)發(fā)生較大損傷。

然而，以往凍融循環(huán)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)直接參照ASTM規(guī)范，或者對(duì)凍融處理各階段的時(shí)間進(jìn)行直接設(shè)定，不能很好地反映路面真實(shí)遇到的凍融循環(huán)情況[8-10]。同時(shí)，研究人員往往研究?jī)鋈谧饔脤?duì)瀝青混凝土力學(xué)參數(shù)、物理參數(shù)(如體積、質(zhì)量損失率、空隙率、礦料間隙率等)等的影響，且研究對(duì)象多為具有裂縫自愈合能力的熱塑型瀝青混凝土，缺少熱塑型環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)破壞的研究[11-12]。

現(xiàn)提出基于中國(guó)北方季節(jié)性冰凍區(qū)凍融循環(huán)特點(diǎn)的室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究?jī)鋈谧饔脤?duì)環(huán)氧瀝青混凝土彎曲勁度模量及環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁平面應(yīng)變斷裂韌度(KIC)的影響，分析不同凍融循環(huán)次數(shù)下帶裂縫環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁發(fā)生裂縫擴(kuò)展時(shí)的橫向應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)和層間黏結(jié)狀況。

1 室內(nèi)試驗(yàn)方法

1.1 試件的制備

成型環(huán)氧瀝青混凝土小梁與復(fù)合梁試件級(jí)配采用在南京長(zhǎng)江二橋鋼橋面鋪裝試驗(yàn)研究中所確定的級(jí)配范圍，如圖1所示。采用美國(guó)ChemCoSystem公司生產(chǎn)的環(huán)氧瀝青結(jié)合料，其A、B組分摻配比例為1∶5.85，油石比為6.5%。黏層材料采用美國(guó)ChemCoSystem公司生產(chǎn)的環(huán)氧瀝青黏結(jié)料，其A、B組分摻配比例為1∶2.96。

將成型的車轍板切割成20 cm×3.5 cm×3 cm的小梁試件。試件共分為7組，每組2個(gè)試件，分別編號(hào)為1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2、5-1、5-2、6-1、6-2、7-1和7-2。環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁結(jié)構(gòu)采用天津海河大沽橋雙層環(huán)氧鋪裝結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖3、圖4分別為復(fù)合梁形狀和大小。

圖1 環(huán)氧瀝青混合料級(jí)配曲線圖Fig.1 Composite gradation curve of epoxy asphalt mixture

圖2 鋪裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of pavement

圖3 復(fù)合梁試件的截取Fig.3 Selection of composite beam specimen

圖4 復(fù)合梁試件鋼板模型和尺寸大小Fig.4 Steel plate model and size of composite beam specimen

首先，在鋼板上均勻涂刷25.8 mL環(huán)氧瀝青黏結(jié)料，待常溫固化4 h后，采用靜壓法將拌合好的環(huán)氧瀝青混合料壓制到如圖5所示成型復(fù)合梁試件的試模中，壓實(shí)的環(huán)氧瀝青鋪裝下層厚度為2.5 cm。然后，將成型好的“鋼板-鋪裝下層”試件放入120 ℃環(huán)境烘箱中固化6 h，取出后在環(huán)氧瀝青鋪裝下層表面涂刷17.1 mL環(huán)氧瀝青黏結(jié)料，待常溫固化4 h后，采用靜壓法將拌合好的環(huán)氧瀝青混合料壓制到之前成型的“鋼板-鋪裝下層”試件上，壓實(shí)的環(huán)氧瀝青鋪裝上層厚度為2.5 cm。最后，將成型的環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁試件放入120 ℃環(huán)境烘箱中固化6 h后取出，得到試驗(yàn)所用的環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁試件，如圖6所示。分別預(yù)制12 mm切口，編號(hào)為1-3、2-3、3-3、4-3、5-3、6-3、7-3。

圖5 復(fù)合梁試具Fig.5 Composite beam test tool

圖6 復(fù)合梁試件Fig.6 Composite beam specimen

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

首先對(duì)北京(39°26′N～41°03′N，115°25′E～117°30′E)冬季的氣溫條件進(jìn)行調(diào)研。通常北京市從11月份開始有降雪和低溫出現(xiàn)，且將持續(xù)到第二年2月[13-14]。故采用可進(jìn)行溫度控制的低溫箱對(duì)試件進(jìn)行凍融循環(huán)處理，條件為 -5 ℃保存18 h和5 ℃保存6 h，其中5 ℃飽水條件是為了模擬冬季環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝表面的雪和冰完全融化的極端條件，凍融循環(huán)次數(shù)如表1所示。

表1 不同試件組的凍融循環(huán)次數(shù)Table 1 Freeze thaw cycles of different specimen groups

1.3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是研究平面應(yīng)變斷裂韌度(KIC)常用的試驗(yàn)方法，其受力特點(diǎn)與I型裂縫的受力相似[15]。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載方式為控制位移加載，試驗(yàn)溫度為-14 ℃，試驗(yàn)溫度通過溫度控制箱進(jìn)行控制。

2 數(shù)值模擬

2.1 帶裂縫環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

通過有限元軟件模擬破壞的環(huán)氧混凝土復(fù)合梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁的破壞進(jìn)行研究。采用四分之一節(jié)點(diǎn)單元法對(duì)裂縫進(jìn)行定義，同時(shí)對(duì)裂縫形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化。加載方式為控制位移加載，具體形狀如圖7所示，圖中A為位移荷載加載點(diǎn)，B、C為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的兩個(gè)支點(diǎn)。

圖7 環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)單邊切口梁Fig.7 Single side cut beam of epoxy asphalt concrete composite structure

所建模型假設(shè)環(huán)氧瀝青混凝土為彈性材料[16]。根據(jù)表2所示7組凍融作用下環(huán)氧瀝青混凝土的彎曲勁度模量，建立相應(yīng)凍融循環(huán)次數(shù)下帶裂縫環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型編號(hào)分別為1#～7#)，泊松比選取為0.25。鋼板的彎曲勁度模量取210 GPa，泊松比取0.35。

2.2 數(shù)值模型有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證環(huán)氧瀝青混凝土梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)M的有效性，僅列舉1#的模擬圖形和各數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差，如圖8、圖9所示。對(duì)7個(gè)組模型仿真結(jié)果的各數(shù)據(jù)點(diǎn)的絕對(duì)百分誤差求平均值，得到各組模擬的平均誤差，如表3所示。

表2 不同次數(shù)凍融循環(huán)下環(huán)氧瀝青混凝土的彎曲勁度模量Table 2 Bending stiffness modulus of epoxy asphalt concrete under different freeze-thaw cycles

圖8 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照?qǐng)DFig.8 Comparison of simulation results and test results

圖9 仿真結(jié)果的絕對(duì)百分誤差散點(diǎn)圖Fig.9 Absolute percent error of simulation results

表3 平均絕對(duì)百分誤差對(duì)照表Table 3 Average absolute percent error of simulation results

從圖8和圖9可知，被破壞的環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M結(jié)果與試驗(yàn)過程中得到的結(jié)果擬合程度較好。由表3所示，在凍融作用下的7組平均誤差均值都小于0.3。在上述分析基礎(chǔ)上，可知7組凍融作用次數(shù)下帶裂縫環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)Ｐ头弦蟆?/p>

2.3 條件臨界荷載的確定

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的最大荷載PQ，根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，得到跨中荷載為PQ時(shí)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子、橫向拉應(yīng)力、橫向拉應(yīng)變，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的條件臨界荷載如表4所示。

表4 條件臨界荷載Table 4 Conditional critical loads

3 結(jié)果與分析

3.1 凍融作用對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土彎曲勁度模量的影響

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得到的不同凍融循環(huán)次數(shù)下環(huán)氧瀝青混凝土小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中荷載-跨中位移曲線，計(jì)算不同凍融循環(huán)次數(shù)下環(huán)氧瀝青混凝土的彎曲勁度模量，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可以看出，伴隨凍融重復(fù)次數(shù)增多，彎曲勁度模量下降，說明環(huán)氧瀝青混凝土剛度逐漸減小，韌度逐漸增加。采用多項(xiàng)式擬合的函數(shù)關(guān)系如式(4)所示。

(4)

式(4)中：E為彎曲勁度模量,MPa；N為凍融循環(huán)次數(shù)，次，0≤N≤30。

圖10 彎曲勁度模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.10 Curve of relationship between bending stiffness modulus and freeze-thaw cycles

當(dāng)凍融重復(fù)作用在15次以下時(shí)，環(huán)氧瀝青混凝土彎曲勁度模量下降的較為緩慢，彎曲勁度模量的凍融破壞值為22%。當(dāng)凍融重復(fù)作用在15次以上時(shí)，其彎曲勁度模量下降幅度變大，凍融重復(fù)作用30次時(shí)，彎曲勁度模量的凍融破壞值為60%。

3.2 凍融作用對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁平面應(yīng)變斷裂韌度(KIC)的影響

現(xiàn)有研究通常將帶裂紋構(gòu)件的應(yīng)力強(qiáng)度因子作為研究對(duì)象[17-19]，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，7組凍融重復(fù)作用下復(fù)合梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中，達(dá)到條件臨界荷載PQ時(shí)，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子如圖11所示。

圖11 不同凍融循環(huán)次數(shù)的平面應(yīng)變斷裂韌度Fig.11 Plane strain fracture toughness

由圖11可以看出，KIC隨凍融重復(fù)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，通過多項(xiàng)式擬合的函數(shù)關(guān)系，如式(5)所示。

(5)

當(dāng)凍融重復(fù)作用在15次以下時(shí)，KIC下降得迅速非?？欤瑑鋈谥貜?fù)作用為15次時(shí)，KIC的凍融破壞值最高，達(dá)到37%。當(dāng)凍融重復(fù)作用在15次以上時(shí)，KIC增高的幅度變大，這是因?yàn)閮鋈谥貜?fù)作用15次以上時(shí)，彎曲勁度模量快速下降引起其韌性變高，材料的韌度越大越難發(fā)生斷裂。

3.3 凍融作用下帶裂縫環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁橫向應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)

“雙層環(huán)氧”結(jié)構(gòu)層破壞的首要因素是橫向拉應(yīng)力、拉應(yīng)變大于材質(zhì)所可以接受的破壞極限[20-21]，在鋼橋面鋪裝時(shí)，一般采用橫向拉應(yīng)力、拉應(yīng)變當(dāng)成鋪裝構(gòu)造的整體限定要求。各組凍融重復(fù)作用下環(huán)氧瀝青混凝土裂痕尖端最大橫向拉應(yīng)力和最大橫向拉應(yīng)變的整理結(jié)果如圖12所示。

圖12 裂縫尖端最大橫向拉應(yīng)力和拉應(yīng)變Fig.12 Maximum transverse tensile stress and strain at crack tip

由圖12(a)可以看出，根據(jù)凍融重復(fù)作用的不斷變多，最大橫向拉應(yīng)力先降低后升高，當(dāng)達(dá)到15次時(shí)，環(huán)氧瀝青混凝土破壞頂端的最大橫向拉應(yīng)力為最低，其凍融破壞值為46.2%。采用多項(xiàng)式擬合的函數(shù)關(guān)系如式(6)所示。

(6)

式(6)中：σ為極限拉應(yīng)力，MPa；N為凍融循環(huán)次數(shù)，次。

由圖12(b)可以看出，根據(jù)凍融重復(fù)作用的不斷變多，最大橫向拉應(yīng)變先降低后升高。凍融重復(fù)作用20次以下時(shí)，其橫向拉應(yīng)變變化較小，當(dāng)達(dá)到10次時(shí)，環(huán)氧瀝青混凝土破壞頂端的橫向拉應(yīng)變?yōu)樽畹汀２捎枚囗?xiàng)式擬合的函數(shù)關(guān)系如式(7)所示。

(7)

式(7)中：ε為裂縫尖端最大橫向拉應(yīng)變，‰；N為凍融循環(huán)次數(shù)，次。

3.4 凍融作用下帶裂縫環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁層間黏結(jié)狀況

鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青黏結(jié)層可以防止鋪裝層之間和鋪裝-鋼板間發(fā)生脫層病害[22-24]。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中達(dá)到條件臨界荷載PQ時(shí)，鋪裝層剪應(yīng)力及鋪裝-鋼板層間剪應(yīng)力如圖13所示。

圖13 鋪裝層和鋪裝鋼板層間剪應(yīng)力示意圖Fig.13 Pavement layers and steel plate interlaminar shear stress

由圖13可以看出，鋪裝層間剪應(yīng)力與鋪裝-鋼板間層間剪應(yīng)力隨距中心位置距離的增大。在距離中心位置0.13 m處附近達(dá)到層間最大剪應(yīng)力值，而鋪裝-鋼板層間剪應(yīng)力在距離中心位置0.11 m處附近達(dá)到層間最大剪應(yīng)力值。由表5可以看出，鋪裝-鋼板間層間最大剪應(yīng)力大于鋪裝層層間最大剪應(yīng)力，且鋪裝層層間最大剪應(yīng)力均小于3 MPa，即帶裂縫環(huán)氧瀝青混凝土復(fù)合梁斷裂不發(fā)生在環(huán)氧瀝青黏結(jié)層。

表5 最大層間剪應(yīng)力表Table 5 Maximum interlaminar shear stress

4 結(jié)論

(1)當(dāng)凍融重復(fù)作用在15次以下時(shí)，環(huán)氧瀝青混凝土彎曲勁度模量下降的較為緩慢，彎曲勁度模量的凍融破壞值為22%。當(dāng)凍融重復(fù)作用在15次以上時(shí)，其彎曲勁度模量下降幅度變大，凍融重復(fù)作用30次時(shí)，彎曲勁度模量的凍融破壞值為60%。

(2)凍融作用KIC與裂縫尖端最大橫向拉應(yīng)力的影響分為兩個(gè)階段。第一階段為當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)15次以下時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，主要表現(xiàn)出抗裂性能的衰減；第二階段為當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)15次以上時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，主要表現(xiàn)為環(huán)氧瀝青混凝土韌度的增大。

(3)根據(jù)凍融重復(fù)作用的不斷變多，復(fù)合梁縫隙頂部的最大橫向拉應(yīng)變先降低后升高。凍融重復(fù)作用20次以下時(shí)，其復(fù)合梁縫隙頂部的橫向拉應(yīng)變變化較小，當(dāng)達(dá)到10次時(shí)，復(fù)合梁破壞頂部的橫向拉應(yīng)變?yōu)樽畹汀?/p>

(4)不同凍融重復(fù)作用下環(huán)氧瀝青混凝土發(fā)生破壞延伸時(shí)，環(huán)氧瀝青黏結(jié)層不發(fā)生斷裂；鋪裝層層間剪應(yīng)力與鋪裝-鋼板間層間剪應(yīng)力隨距中心位置距離的增大。

研究對(duì)象為“雙層環(huán)氧”鋪裝結(jié)構(gòu)，除此之外鋼橋面鋪裝常見的鋪裝結(jié)構(gòu)還有“環(huán)氧瀝青混凝土+瀝青馬蹄脂穩(wěn)定碎石”“澆筑式瀝青混凝土+瀝青馬蹄脂穩(wěn)定碎石”和“澆筑式瀝青混凝土+環(huán)氧瀝青混凝土”等，凍融作用對(duì)其他鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)斷裂行為的影響尚需進(jìn)一步研究。