基于沖擊韌性的鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土疲勞性能設(shè)計(jì)研究

張順先，張肖寧，徐 偉，蔡 旭，郝增恒，萬 成

環(huán)氧瀝青混凝土由于其強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐疲勞性能好、具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性能等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外多座大跨徑的鋼橋面鋪裝中得到應(yīng)用［1］。但隨著使用年限的增加和繁重的交通負(fù)荷作用，環(huán)氧瀝青混凝土橋面鋪裝出現(xiàn)了很多病害，其中最主要的病害是疲勞裂縫。究其原因，主要是由于環(huán)氧瀝青混凝土是非均質(zhì)的、對(duì)于溫度較敏感的多向性材料，其內(nèi)部有很多微孔隙和微裂縫，這些材料本身的原始缺陷在溫度和行車荷載的重復(fù)作用下就會(huì)不斷演化發(fā)展，最終形成宏觀疲勞裂縫，如果疲勞裂縫進(jìn)一步發(fā)展就會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞［2］。

針對(duì)橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能，Youtcheff等［3］采用ALF和間接拉伸強(qiáng)度來評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能，劉振清等［4］采用損傷力學(xué)原理和方法，從力學(xué)近似法角度分析了單純的瀝青混合料鋪裝層矩形截面梁疲勞損傷特性;黃文通等［5］采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，以剩余勁度模量為控制目標(biāo)，得出了疲勞壽命與剩余勁度模量之間的關(guān)系;陳春紅等［6］引入裂紋尖端位移CTOD參數(shù)研究了鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土裂紋擴(kuò)展階段的疲勞演化規(guī)律;龐淵［7］采用小梁三點(diǎn)應(yīng)變控制方式對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能進(jìn)行了研究，并分析影響疲勞性能的各種因素。

縱觀已有的相關(guān)研究成果可發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能的設(shè)計(jì)理論還不夠完善，研究手段有待進(jìn)一步改進(jìn);有些研究成果只停留在理論假設(shè)上，設(shè)計(jì)出的瀝青混合料疲勞性能不是很理想，與工程實(shí)際應(yīng)用有一定得差別。另外，現(xiàn)階段環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，主要通過馬歇爾試驗(yàn)來進(jìn)行各組分體積組成比例設(shè)計(jì)，然后通過相關(guān)疲勞試驗(yàn)，研究其疲勞性能，采用此種方法設(shè)計(jì)的環(huán)氧瀝青混合料并沒有把疲勞性能設(shè)計(jì)納入配合比設(shè)計(jì)之中，而在實(shí)際使用過程當(dāng)中環(huán)氧瀝青混凝土主要表現(xiàn)為疲勞破壞，因此現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理論與實(shí)際使用情況之間有較大的差別。

本文在斷裂力學(xué)和能量法原理的基礎(chǔ)上，提出以沖擊韌性作為評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)和疲勞性能的一個(gè)重要指標(biāo)，分析不同瀝青含量和不同試驗(yàn)溫度對(duì)沖擊韌性的影響;以混合料剩余勁度模量比來反映疲勞壽命的大小，并研究沖擊韌性和疲勞壽命之間的關(guān)系。

1 基于斷裂力學(xué)與能量法的理論基礎(chǔ)

當(dāng)材料承受外界荷載作用時(shí)，材料內(nèi)部本身就會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力并導(dǎo)致相應(yīng)的應(yīng)變，材料在重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生疲勞裂紋后，就會(huì)在裂紋處產(chǎn)生一定的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。J積分理論［8］可定量地描述裂紋體的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度，它不僅適用于彈性體，對(duì)小變形的彈塑性體也適用。

設(shè)有一均質(zhì)板，板上含一條貫穿裂紋，均質(zhì)板所受的外力使裂紋周圍產(chǎn)生二維應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。圍繞裂紋尖端取回路Г，由裂紋下表面任一點(diǎn)開始，按逆時(shí)針方向(弧長(zhǎng)S的正向)沿Г環(huán)繞裂紋尖端行進(jìn)，終止于裂紋上表面任一點(diǎn)，如圖1所示。J積分定義為:

式中:W為板的應(yīng)變能密度;T→為作用在積分回路Г弧元d s上的外力矢量;U→為回路Г上的位移矢量。

圖1 J積分示意圖Fig.1 Schematic figure of the J-integral

Rice指出在小應(yīng)變條件下，對(duì)于非線性彈性二維試件，J積分等于相同的外加載荷條件下，外形相同但具有相近裂紋長(zhǎng)度a及a+d a的兩個(gè)試件單位厚度位能的差率［9］:

式中:Π為單位厚度應(yīng)變能或變形功;W為單位能密度或變形功密度;S為試件面積;C1為給定荷載的邊界;Ti，ui為應(yīng)力矢量與位移矢量。

實(shí)際上，J積分與變形功、邊界荷載或應(yīng)力矢量、位移矢量的關(guān)系也可表示為［9］:

其中:C為試件的邊界范圍周長(zhǎng)。

在斷裂沖擊試驗(yàn)中，施加一集中荷載P，令加載點(diǎn)位移 ui=0，u2=δ。則:

于是式(3)可簡(jiǎn)化為:

這樣，宏觀荷載位移曲線就與J積分聯(lián)系起來，在彈塑性體中，試件在外加荷載的作用下，產(chǎn)生變形后，就會(huì)在裂紋處產(chǎn)生一定的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，J積分可以定量地表現(xiàn)這個(gè)場(chǎng)的強(qiáng)度。

Bagley和Landes依據(jù)大量試驗(yàn)，認(rèn)為J積分作為衡量裂紋開裂的參量是適宜的，從而建立了J積分準(zhǔn)則:當(dāng)圍繞裂紋尖端的J積分達(dá)到臨界值JC(平面應(yīng)力)或JIC(平面應(yīng)變)時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展。JC或JIC被成為J積分?jǐn)嗔秧g度，代表材料的抗裂性能，由于韌度JIC可以用勢(shì)能公式表達(dá)出來，瀝青混合料的J積分?jǐn)嗔秧g度可以根據(jù)下面公式獲得［10］:

式中:U為荷載功(N·mm);荷載－位移曲線下的面積;b為試件厚度(mm);α裂紋長(zhǎng)度(mm)，下標(biāo)1、2代表不同試件。因此，材料發(fā)生斷裂時(shí)伴隨著能量的損耗，能量值可以用荷載－位移圖所包圍的面積來計(jì)算，試驗(yàn)荷載－位移曲線下所包圍的面積越大，斷裂韌度JIC越大，材料抵抗破壞的能力越強(qiáng)。

圖2 荷載位移圖Fig.2 Load-displacement figure

圖2 (a)中表示環(huán)氧瀝青混凝土在達(dá)到所能承受的最大力之前，所施加的荷載和試件的變形呈現(xiàn)線性關(guān)系，該階段環(huán)氧瀝青混凝土處于彈性狀態(tài)，當(dāng)加荷至最大荷載處材料突然斷裂，這是典型的脆性斷裂的特征;當(dāng)圖2(b)表示超過最大荷載時(shí)材料并沒有突然斷裂，而是在逐漸卸載的情況下變形繼續(xù)增加直至斷裂，該階段材料處于屈服狀態(tài)，屬于屈服破壞。圖2中陰影部分的面積代表沖擊韌性，即為為荷載作用最大點(diǎn)時(shí)所做的功。根據(jù)J積分理論和JIC公式可知，沖擊韌性在理論上是可行的，結(jié)合Origin軟件和作者編寫的計(jì)算程序，可得出陰影部分的面積即沖擊韌性的大小，張肖寧等［11］曾采用沖擊韌性評(píng)價(jià)瀝青混合料抵抗反射裂縫的能力，并取得了較好的效果。

2 沖擊韌性試驗(yàn)方法

本文所采用的沖擊韌性試驗(yàn)擬采用小梁棱柱體試件進(jìn)行研究，試件制備過程如下:

(1)采用輪碾成型機(jī)壓實(shí)成型，制備300 mm×300 mm×50 mm的板塊狀試件，將制備好的試件放到120℃的烘箱中進(jìn)行加熱4天，使其快速固化。

(2)采用芬蘭生產(chǎn)的高精度雙面鋸將輪碾成型的固化后的板塊狀試件切制成長(zhǎng)250 mm±2 mm、寬30 mm ±0.5 mm、高 35 mm ±0.5 mm 的棱柱體小梁(圖3)，其跨徑為200 mm±0.5 mm，采用這樣的試件均勻性好，試驗(yàn)誤差小，方便易行。

圖3 切割后的小梁試件和MTS試驗(yàn)機(jī)Fig.3 Trabecular specimen after cutting and MTStesting machine

(3)沖擊韌性試驗(yàn)擬采用在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)的加載速率可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，本次試驗(yàn)加載擬采用的加載速率為500 mm/min。

3 基于沖擊韌性的環(huán)氧瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

3.1 環(huán)氧瀝青膠結(jié)料組成

本文采用的瀝青膠結(jié)料為雙組分環(huán)氧瀝青，該瀝青膠結(jié)料由兩組分構(gòu)成:組分A(環(huán)氧樹脂)和組分B(一種由石油瀝青和固化劑組成的勻質(zhì)合成物)，這兩組分經(jīng)復(fù)雜的化學(xué)改性所得的混合物即為環(huán)氧瀝青。組分A是由雙酚A和表氯醇經(jīng)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)得到的液態(tài)雙環(huán)氧樹脂，不含稀釋劑、軟化劑或增塑劑，也不含無機(jī)填料、色素或其他污染物或不溶物質(zhì)。組分B是一種由石油瀝青和環(huán)氧樹脂固化劑組成的勻質(zhì)合成物，組分B中的瀝青和固化劑之間具有較好的相容性。組分A和B按要求混合并固化后得到的環(huán)氧瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 環(huán)氧瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Epoxy asphalt technical indicators

3.2 測(cè)定集料基本參數(shù)

考慮橋面鋪裝混合料集料最大粒徑與施工最小厚度的技術(shù)要求，參考其他橋面鋪裝所使用集料的情況，采用13.2 mm為最大集料尺寸，間斷3～5 mm粒徑的碎石，細(xì)集料采用0～3 mm的石屑，按泰波指數(shù)n=0.5來設(shè)計(jì)，礦粉采用石灰石礦粉。測(cè)得集料的主要技術(shù)指標(biāo)如表2。

表2 集料主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 The main technical indicator of aggregate

各檔集料篩分結(jié)果如表3所示。

為了改善環(huán)氧瀝青混凝土在使用中的路用性能，根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)調(diào)整礦粉和瀝青用量，其中礦粉用量控制在10%左右，瀝青用量控制在6.5～7.5%，調(diào)整礦粉和瀝青用量后，初擬以下三種級(jí)配，如圖4所示。

表3 各檔集料篩分結(jié)果Tab.3 Aggregate sieving result

圖4 三種級(jí)配曲線Fig.4 Three grading curve

按照?qǐng)D4三種級(jí)配分別成型環(huán)氧瀝青混合料試件，成型方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，將成型好的試件冷卻后放到120℃烘箱中進(jìn)行固化，固化時(shí)間為4天取出試件，并按照本文2中沖擊韌性試驗(yàn)方法制作成標(biāo)準(zhǔn)小梁試件并進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知三種級(jí)配沖擊韌性均隨著瀝青用量的增加而增大，級(jí)配一的沖擊韌性大于其它兩個(gè)級(jí)配，沖擊韌性越大，荷載位移曲線包圍的面積越大;根據(jù)公式

可知荷載位移曲線包圍面積與J積分?jǐn)?shù)值正比例關(guān)系，荷載位移曲線包圍面積越大，J積分也相應(yīng)增大，則混合料的韌性越好，因此混合料的抗裂能力越強(qiáng)，因此擬采用級(jí)配一作為選定目標(biāo)配合比級(jí)配。為了了解溫度變化和瀝青膠結(jié)料含量變化對(duì)小梁沖擊韌性的影響，按照2中試驗(yàn)方法分別進(jìn)行不同溫度和不同瀝青含量下的沖擊韌性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5 沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The test result of impact toughness

圖6 不同溫度和油石比下沖擊韌性Fig.6 Impact toughness in different temperature and ratio between bitumen and aggregate

由圖6可知，隨著試驗(yàn)溫度升高，材料的沖擊韌性逐漸增大。這主要是環(huán)氧瀝青性能對(duì)溫度的依賴性決定了瀝青混合料性能也顯著地受溫度的影響。眾所周知，隨著溫度測(cè)量尺度的不同，瀝青混合料可以表現(xiàn)出、彈性體或粘性流體的所有特征，破壞過程由典型脆性破壞過渡到彈塑性破壞，這種轉(zhuǎn)變是由環(huán)氧瀝青混合料中環(huán)氧瀝青的性能決定的。隨著試驗(yàn)溫度的升高，環(huán)氧瀝青混合料由玻璃態(tài)脆性固體向粘彈性體轉(zhuǎn)變，混合料的破壞由脆性破壞向屈服破壞轉(zhuǎn)變，同時(shí)混合料內(nèi)部會(huì)發(fā)生微小的粘彈性變形，使荷載－位移圖曲線下的面積增大，即沖擊韌性逐漸增大，因此沖擊韌性在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增大。

從圖6同時(shí)可以得出隨著瀝青含量的增加，沖擊韌性逐漸增大，當(dāng)油石比小于6.9%時(shí)，曲線的斜率增加較快，沖擊韌性變化較大;當(dāng)油石比大于6.9%時(shí)，曲線斜率變化幅度較小，增長(zhǎng)較緩慢。不同于普通瀝青膠結(jié)料，環(huán)氧瀝青屬于固化性反應(yīng)材料，其強(qiáng)度來源主要取決于環(huán)氧樹脂和固化劑的共同作用，本次試驗(yàn)在三種級(jí)配變化不大、相同油石比條件下(6.9%)，包裹在集料周圍的結(jié)構(gòu)瀝青厚度接近達(dá)到飽和狀態(tài)，隨著瀝青用量的增加，結(jié)構(gòu)瀝青厚度不再發(fā)生變化。因此瀝青用量存在一個(gè)閥值點(diǎn)，該閥值點(diǎn)控制了沖擊韌性變化幅度的情況，本試驗(yàn)中瀝青用量(油石比)閥值點(diǎn)為6.9%。這主要是由于瀝青膜厚度的影響，當(dāng)瀝青用量較小時(shí)，包裹在礦料周圍的瀝青膜厚度不足或較薄，礦料之間粘結(jié)力較小，抗變形能力較差;隨著瀝青用量的增加，瀝青膜厚度逐漸變大，礦料之間的粘結(jié)力得到進(jìn)一步的改善，抗變形能力也得到加強(qiáng)，沖擊韌性也隨著增大;當(dāng)油石比大于6.9%時(shí)，礦料周圍的瀝青膜厚度不增加或增加較緩慢，混合料內(nèi)部變形速率較小，因此沖擊韌性變化不明顯。

4 沖擊韌性與環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能之間的關(guān)系

現(xiàn)階段，環(huán)氧瀝青混合料疲勞試驗(yàn)方法通常采用應(yīng)力控制或應(yīng)變控制兩種加載模式，這兩種加載模式在反映材料疲勞性能方面有較大差異。對(duì)于鋼橋面鋪裝應(yīng)采用控制應(yīng)變的荷載模式，原因如下:

(1)應(yīng)力控制模式不能反映鋪裝層勁度模量隨著鋪裝材料的老化、疲勞性能會(huì)逐漸衰減過程。

(2)由于鋼橋面板和鋪裝層材料之間模量相差較大，鋪裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要來源于橋面板的剛度。

文獻(xiàn)［5］曾對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明以應(yīng)變加載方式進(jìn)行控制時(shí)，在600微應(yīng)變的條件下，如按照混合料的剩余勁度模量降到初始勁度模量的50%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，其疲勞性能大于100萬次，試驗(yàn)運(yùn)行周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，且試驗(yàn)結(jié)果離散性大。為了能在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)得出環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞壽命，本文擬采用600微應(yīng)變作為環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞控制應(yīng)變，以加載100萬次后的剩余勁度模量比作為評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青疲勞性能的指標(biāo)，剩余勁度模量比越大，表明瀝青混合料的疲勞壽命越好，采用英國(guó)公司生產(chǎn)的Cooper試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同油石比下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Fatigue test results under different bitumen and aggregate ratio

從圖7中可以看出，當(dāng)混合料加載100萬次后，瀝青用量由6.1%增加到6.9%時(shí)，曲線斜率很大，剩余勁度模量比有較大變化，表明此時(shí)瀝青混合料的疲勞性能在快速提高;當(dāng)瀝青用量大于6.9%時(shí)，剩余勁度模量比變化較小，表明此時(shí)瀝青混合料的疲勞性能提高較緩慢，四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果與沖擊韌性試驗(yàn)得到的結(jié)果一致，說明環(huán)氧瀝青混合料疲勞壽命和沖擊韌性之間有一定的相關(guān)性。

為了找出沖擊韌性和疲勞壽命之間的內(nèi)在聯(lián)系和相關(guān)性，將15℃和25℃條件下的剩余勁度模量比和沖擊韌性值進(jìn)行匯總，以沖擊韌性為橫坐標(biāo)，剩余勁度模量比為縱坐標(biāo)匯總于圖8。采用Origin軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到線性方程分別為分別為 y=35.469x+2.901 和 y=29.810x+9.352，相關(guān)系數(shù)為0.982和0.959，說明沖擊韌性與疲勞壽命之間具有良好的線性相關(guān)性，因此沖擊韌性可以作為評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混凝土疲勞性能的指標(biāo)。

圖8 沖擊韌性與剩余勁度模量比之間關(guān)系Fig.8 The relationship between impact toughness and residual stiffness modulus

5 結(jié)論

本文基于斷裂力學(xué)和能量法的原理，采用沖擊韌性指標(biāo)評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混凝土的配合比設(shè)計(jì)和疲勞性能，并建立起沖擊韌性和混合料剩余勁度模量比之間的關(guān)系。具體得出如下結(jié)論:

(1)沖擊韌性指標(biāo)可表示材料在沖擊荷載作用下發(fā)生斷裂前積蓄的能量，沖擊韌性越大，J積分值越大，表明混合料抗裂和抗疲勞的性能越好，因此沖擊韌性可作為評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)和疲勞抗裂性能的有效指標(biāo)。

(2)隨著瀝青用量的增大和溫度的升高，沖擊韌性值逐漸增大;兩組分環(huán)氧瀝青混合料瀝青用量(油石比)的閥值點(diǎn)為6.9%，當(dāng)瀝青含量超過6.9%時(shí)，沖擊韌性增幅減緩，從性價(jià)比角度考慮，建議環(huán)氧瀝青混合料油石比為6.9%。

(3)采用剩余勁度模量比代表環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)沖擊韌性和剩余勁度模量比均隨著瀝青用量的增加而逐漸增大，兩者具有較好的一致性。

(4)由試驗(yàn)可知，環(huán)氧瀝青混合料的沖擊韌性和剩余勁度模量比之間具有很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大于0.95，因此可以采用沖擊韌性評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能。

(5)沖擊韌性試驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)單快捷，可以作為環(huán)氧瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)和疲勞性能設(shè)計(jì)的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，為環(huán)氧瀝青混凝土性能設(shè)計(jì)提供新思路。

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