陳海偉，王漢臣，師郡，任皎龍

(山東理工大學 建筑工程學院, 山東 淄博 255049)

溫度對瀝青混凝土的各項性能指標均產生影響，當溫度處于零度以下時，瀝青混凝土呈脆性或準脆性，極易開裂。因為修復開裂瀝青路面或新的瀝青混凝土層昂貴且耗時，所以有必要研究瀝青路面的開裂機制以減緩整個瀝青加鋪層的裂縫發(fā)展。已有學者通過在零攝氏度以下對瀝青材料施加應力強度因子研究了熱拌瀝青(HMA)混合物的斷裂行為[1]。影響瀝青路面開裂的因素有很多，如溫度波動和車輪引起的交通荷載[2]。溫度波動引起的裂紋往往產生于道路橫向，其起裂幾乎只與純I型(拉伸型)裂紋擴展機制有關。文獻[3]對自頂向下裂紋的研究表明，車輪傳遞的交通荷載可以使裂紋的擴展機制由純I型向混合Ⅰ/Ⅱ型(拉伸和剪切模式)擴展；文獻[4]的研究表明，反射裂紋中裂紋擴展也發(fā)生在模式Ⅰ和模式Ⅱ加載的組合下。以往對開裂瀝青混凝土的試驗研究大多集中在純Ⅰ型裂紋擴展，對Ⅰ/Ⅱ混合型和純Il型加載模式的研究非常有限[5]，如文獻[6]使用LEFM研究了同一溫度下瀝青混凝土在Ⅰ型和Ⅱ型混合加載模式下的斷裂行為。因此，開展一系列試驗來研究瀝青混凝土在純Ⅰ型、純Ⅱ型和混合Ⅰ/Ⅱ型荷載作用下的斷裂行為是很有意義的。

本文主要研究靜荷載條件下，環(huán)境溫度和加載方式對熱拌瀝青混凝土抗斷裂性能的影響。在不同荷載和溫度條件下，對改進后的SCB試件進行斷裂試驗，以期研究瀝青混凝土在不同加載模式和溫度下的抗裂性和裂紋擴展規(guī)律。

1 試驗方法與試驗材料的選擇

1.1 試驗方法的選擇

SCB試驗具有操作方便、數(shù)據(jù)準確性高等優(yōu)點[7-9]，因此本文對瀝青混凝土的試驗研究采用SCB試驗方法，試驗加載模式如圖1所示，SCB試件各幾何參數(shù)的物理意義見表1。

圖1 SCB試件的加載模式

表1 SCB試件幾何參數(shù)的物理意義

1.2 SCB試驗加載模式的確定

本次試驗通過減小Me來實現(xiàn)不同的斷裂加載模式：Me=1為純張拉(Ⅰ型)加載模式；Me=0為純剪切(Ⅱ型)加載模式；0

(1)

式中：KⅠ為純Ⅰ型應力強度因子；KⅡ為純Ⅱ型應力強度因子。KⅠ、KⅡ計算公式如下：

(2)

(3)

式中：YⅠ為純Ⅰ型的幾何因子；YⅡ為純Ⅱ型的幾何因子。

通過查閱資料可知[10]，當40 mm≤tc≤50 mm時，SCB試驗測試結果準確性較高，同時考慮到其他相關因素的影響，本文選用tc=50 mm,R=75 mm,a=25 mm,S1=30 mm,S2分別為45 mm、30 mm、20 mm、12 mm、6 mm。通過計算得到的SCB試件幾何參數(shù)為：S1/R=0.4、S2/R=0.6(0.4、0.267、0.16、0.08)，通過分析試驗幾何參數(shù)與幾何因子的關系[11]，可得到試件的幾何因子，從而計算SCB試件的混合參數(shù)，計算結果見表2。

表2 SCB試件的幾何參數(shù)和幾何因子

1.3 材料組成設計

1.3.1 原材料

根據(jù)瀝青混合料路用性能[12]，本試驗采用A級中海70#瀝青，瀝青結合料和各級集料(粗集料、細集料、礦粉)的技術指標均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。

1.3.2 礦料級配

本文采用旋轉壓實儀(superpave gyration compactor, SGC)制備試件，以AC-16混合料為研究對象，其級配曲線如圖2所示。

2 室內試驗數(shù)據(jù)與分析

2.1 室內試驗數(shù)據(jù)

SCB試件斷裂效果圖如圖3所示，試驗數(shù)據(jù)見表3。

圖3 SCB試件斷裂效果圖

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.2.1 加載模式和溫度對瀝青混凝土抗裂性的影響

斷裂韌度隨溫度和加載模式的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可得到如下結論：

圖4 斷裂韌度

1)瀝青混凝土的抗斷裂性在從純Ⅰ型向純Ⅱ型模式轉變過程中(即減小Me)，總是呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。通過圖像可以看出，在不同溫度條件下，只要在裂縫尖端加入輕微的剪切變形(即Me=0.8)，瀝青混凝土的抗斷裂性就會顯著降低，使得斷裂韌度在該加載條件下出現(xiàn)最小值。試驗結果表明，在裂紋尖端施加剪切荷載可以顯著降低瀝青混凝土的斷裂韌度，尤其是Me=0.8時。

表3 SCB 試驗結果

2)在不同加載模式下，通過分析對比瀝青混凝土的抗斷裂性發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，瀝青混凝土的斷裂韌度不斷降低，且瀝青混凝土的這一特性不隨加載模式的變化而變化。值得注意的是，無論加載模式是純Ⅰ型、純Ⅱ型還是混合Ⅰ/Ⅱ型，當溫度為-15 ℃和-5 ℃時，瀝青混凝土的斷裂韌度相差較大，而當溫度為0 ℃和10 ℃時，瀝青混凝土的斷裂韌度相差較小。由此可知，在低溫條件下，溫度是影響瀝青混凝土抗斷裂性能的主要因素。

3)在純剪切荷載和純張拉荷載加載條件下，通過比較瀝青混凝土的斷裂韌度可以發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下瀝青混凝土在純Ⅱ型加載模式下的抗裂能力要高于純Ⅰ型加載模式下的抗裂能力。

4)在-15 ℃、-5 ℃、0 ℃和10 ℃的溫度條件下，通過計算比較3種混合加載模式下的斷裂韌度(混合型0.8、混合型0.5、混合型0.2)與I(II)型斷裂模式下的斷裂韌度的平均比例發(fā)現(xiàn)：相比于純Ⅰ型和純Ⅱ型，瀝青混凝土在混合加載模式下出現(xiàn)裂縫的幾率更大。特別是當Me=0.8時，混合型0.8的斷裂韌度與I(II)型斷裂模式的斷裂韌度的平均比例最大，說明此時瀝青混凝土的抗斷裂性最差，最容易出現(xiàn)裂縫。因此，采用混合加載模式下的斷裂韌度來評價瀝青混凝土的抗裂性能夠更好地保證評價結果的準確性。

2.2.2 加載模式和溫度對瀝青混凝土裂紋擴展規(guī)律的影響

在集料、砂漿和集料-砂漿界面，裂縫長度受溫度和加載模式的影響如圖5—圖7所示。由圖5—圖7可得到如下結論：

圖5 集料中的裂縫長度

圖6 砂漿中的裂縫長度

圖7 集料-砂漿界面中的裂縫長度

1)通過觀察SCB試件在不同溫度和加載模式下的斷裂形態(tài)發(fā)現(xiàn)：對于純I型斷裂試驗，裂紋擴展路徑幾乎是沿預裂線的直線擴展，而對于混合I/Ⅱ和純Ⅱ型斷裂試驗，裂紋擴展路徑是曲線擴展；裂紋擴展與預設裂縫成一定角度，隨著剪切荷載占比的增加(或Me的減小)，角度增大。

2)在同一加載模式下，當溫度高于-5 ℃時，隨著溫度的逐漸升高，集料中的裂縫長度逐漸縮短，砂漿中和集料-砂漿界面中的裂縫長度逐漸變長，特別是當溫度由-5 ℃升高到10 ℃時，這種變化尤為明顯。由此可以表明，裂縫在集料、砂漿和集料-砂漿界面的長度變化受溫度影響并且這種影響與材料的特性有關。

3)當溫度為-15 ℃、-5 ℃時，裂縫在集料、砂漿、集料-砂漿界面的長度近乎相等；當溫度為0 ℃時，砂漿、集料-砂漿界面中的裂縫長度增長，集料中的裂縫長度縮短；當溫度為10 ℃時，裂縫主要出現(xiàn)在砂漿、集料-砂漿界面。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，當溫度高于-5 ℃時，隨著溫度的升高，裂縫在集料中、砂漿中和集料-砂漿界面中的長度分布出現(xiàn)明顯變化，裂縫逐漸向砂漿中和集料-砂漿界面中集中。

4)瀝青混凝土從純Ⅰ型向純Ⅱ型轉變(即減小Me)過程中，溫度為-15 ℃、-5 ℃時，裂縫在集料、砂漿和集料-砂漿界面的長度變化無明顯規(guī)律；溫度為0 ℃、10 ℃時，裂縫在集料中、砂漿中和集料-砂漿界面中的長度逐漸增長，特別是在砂漿和集料-砂漿界面的變化尤為明顯。由此可以表明，當溫度不低于0 ℃時，瀝青混凝土抵抗純剪切荷載的能力較弱，抵抗純拉伸荷載的能力較強。

5)在I/II型混合加載模式下，混合型0.8在集料中產生的裂縫長度最長，在砂漿中和集料-砂漿界面中產生的裂縫長度最短；混合型0.2在集料中產生的裂縫長度最短，在砂漿中和集料-砂漿界面中產生的裂縫長度最長；混合型0.5在集料中、砂漿中和集料-砂漿界面中產生的裂縫長度始終居中。也就是說，隨著剪切荷載占比的增加，集料中的裂縫長度逐漸縮短，砂漿中和集料-砂漿界面中的裂縫長度逐漸增長。由此可以表明，瀝青混凝土內各材料特性存在差異，集料抵抗張拉荷載的能力較弱，砂漿抵抗剪切荷載的能力較弱，因此可以根據(jù)瀝青混凝土組成材料的不同特性來研究新型的改性瀝青。

3 結論

本文采用改進的含不對稱垂直邊緣裂縫的SCB試件對不同加載模式(Me=1、0.8、0.5、0.2和0)和不同溫度(-15 ℃、-5 ℃、0 ℃和10 ℃)的瀝青混凝土試件進行了斷裂試驗，以此評價瀝青混凝土的斷裂特性，結論如下：

1)對于純I型斷裂試驗，裂紋擴展路徑幾乎是沿預裂線的直線擴展；而對于混合I/ll型和純Il型斷裂試驗，裂紋擴展路徑是曲線擴展，裂紋擴展與預設裂縫成一定角度，隨著剪切荷載占比的增加(或Me的減小)，角度增大。

2)瀝青混凝土的抗斷裂性在從純Ⅰ型向純Ⅱ型轉變過程中(即減小Me)，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。特別是當Me=0.8時，混合型0.8的斷裂韌度與I(II)型斷裂模式的斷裂韌度的平均比例最大，瀝青混凝土的抗斷裂性最差，最容易出現(xiàn)裂縫。因此，應該采用混合加載模式下的斷裂韌度來評價瀝青混凝土的抗裂性能，以保證評價結果的準確性。

3)裂縫在集料、砂漿和集料-砂漿界面的長度變化受溫度影響，當溫度高于-5 ℃時，隨著溫度的升高，裂縫在集料、砂漿和集料-砂漿界面中的長度分布出現(xiàn)明顯變化，裂縫逐漸向砂漿和集料-砂漿界面集中。

4)通過分析3種混合型(混合型0.8、混合型0.5和混合型0.2)在集料、砂漿和集料-砂漿界面中裂縫長度的變化發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土內各材料特性存在差異：集料抵抗張拉荷載的能力較弱，砂漿抵抗剪切荷載的能力較弱，因此可以根據(jù)瀝青混凝土組成材料的不同特性來研究新型的改性瀝青。