橡膠瀝青應(yīng)力吸收層抗疲勞作用機(jī)理研究

孫雅珍*，侯艷妮，王金昌2，馬作鑫

(1.沈陽建筑大學(xué)交通工程學(xué)院, 遼寧沈陽110168； 2.浙江大學(xué)交通研究所， 浙江杭州310002)

0 引言

隨著交通事業(yè)的大力發(fā)展及人們對公路承載能力要求的不斷提高，我國的公路建設(shè)大量采用了無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層加柔性面層的結(jié)構(gòu)形式，針對舊水泥路面的維修改建也多采取加鋪瀝青混合料的形式[1]。但因為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層具有溫縮和干縮性，以及舊水泥路面固有接縫和裂縫的存在，導(dǎo)致反射裂縫成為此類瀝青路面的主要病害類型[2]。在瀝青面層與舊水泥路面(或無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層)之間設(shè)置應(yīng)力吸收層是目前國內(nèi)外控制反射裂縫時普遍使用的一項有效方法[3]。橡膠瀝青應(yīng)力吸收層(AR-SAMI)具備優(yōu)良的抗剪切破壞能力、抗變形以及彈性恢復(fù)能力，可有效抵抗低溫開裂并減少基層裂縫在瀝青面層底部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在一定程度上起到防治反射裂縫的作用[4-6]。針對 AR-SAMI作用的研究，楊洋等[6]對復(fù)合結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行輪載試驗，研究了不同試驗條件(溫度、水及瀝青含量)下AR-SAMI對加鋪層結(jié)構(gòu)抗裂性能的影響；孫雅珍等[7-8]應(yīng)用有限元軟件建立含裂縫的三維路面結(jié)構(gòu)模型，分析了重載、低溫及層間接觸環(huán)境下AR-SAMI的防裂效果；蔡燕霞[9]對AR-SAMI在路面結(jié)構(gòu)中的受力行為進(jìn)行了全面分析，并應(yīng)用FLUENT有限元軟件結(jié)合動態(tài)滲水試驗對其抵抗動水沖刷的行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，AR-SAMI對裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展具有良好的抑制效果，還可有效防止動水入侵，提高層間粘結(jié)性能。但由于AR-SAMI具有良好的抗疲勞性能，可有效提高面層結(jié)構(gòu)的疲勞裂縫生成與擴(kuò)展壽命[10]，而對于AR-SAMI在結(jié)構(gòu)中的抗疲勞作用機(jī)理卻少有研究。針對上述問題，本文將模擬舊水泥路面加鋪瀝青層的結(jié)構(gòu)形式，對復(fù)合梁試件進(jìn)行三點彎曲疲勞試驗，分析AR-SAMI對裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展以及結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響；后采用有限元軟件模擬復(fù)合梁三點彎曲試驗，在瀝青層底部埋設(shè)初始裂紋，計算裂縫擴(kuò)展過程中裂尖的應(yīng)力強(qiáng)度因子，結(jié)合疲勞斷裂力學(xué)理論對加鋪層結(jié)構(gòu)的疲勞裂縫擴(kuò)展壽命進(jìn)行預(yù)估，并與試驗結(jié)果展開對比。

1 復(fù)合梁三點彎曲疲勞試驗

1.1 試件制備與試驗過程

將事先準(zhǔn)備好的薄板放置在試模中部，以此達(dá)到在水泥板中間形成貫穿縫的目的，攪拌均勻的水泥混凝土倒置在試模當(dāng)中抹平，之后將拌合好的瀝青混合料倒入到養(yǎng)護(hù)好的水泥混凝土車轍板試模中，并采用輪碾壓實，最后將復(fù)合板切割，形成大小為300 mm×90 mm×100 mm的梁式構(gòu)件，制備過程及成型試件如圖1所示。試驗中橡膠瀝青應(yīng)力吸收層借鑒AC-10進(jìn)行配合比設(shè)計，骨料最大公稱粒徑為9.5 mm，油石比為8.8 %。由于控制裂縫反射的應(yīng)力吸收層適宜厚度為2～4 cm，又考慮骨料的粒徑大小對混合料壓實度的影響，應(yīng)力吸收層厚度選為20 mm[11]，試件結(jié)構(gòu)層從上到下依次為：50 mmAC-13瀝青混合料層+50 mm水泥混凝土層；30 mmAC-13瀝青混合料層+20 mmAR-SAMI+50 mm水泥混凝土層。

首先通過三點彎曲破壞試驗確定試件的極限破壞荷載，后以0.1的應(yīng)力比進(jìn)行疲勞試驗，采集力—位移數(shù)據(jù)，同時觀察記錄裂紋長度a及相應(yīng)的疲勞作用次數(shù)N。由于國內(nèi)高等級公路瀝青面層厚度一般均較厚，基層剛度相對較小，瀝青面層在重復(fù)荷載作用下的破壞過程符合應(yīng)力控制模式。因此本文采用常應(yīng)力控制的加載方式來研究兩種構(gòu)件的疲勞特性，試驗溫度為15 ℃，加載速率為5 mm/min。實驗進(jìn)行前把試樣都放入溫控箱中以試驗溫度恒溫保存3 h，以確保其內(nèi)部溫度均勻分布。

圖1 試件成型過程及切割后試件Fig.1 Forming process of specimen and cut specimen

1.2 試驗結(jié)果分析

圖3所示為兩種結(jié)構(gòu)疲勞試驗過程中每一次循環(huán)跨中撓度的最大值dmax與N的關(guān)系曲線。如圖3中所示，在同等厚度下，設(shè)應(yīng)力吸收層的試件所經(jīng)歷的疲勞作用次數(shù)以及最終變形值都遠(yuǎn)高于直接加鋪的試件，由此得知，應(yīng)力吸收層對結(jié)構(gòu)抵抗變形以及抗疲勞性能的提高有良好的效果。

圖2 三點彎曲試驗圖
Fig.2 Three-point bending test

圖3 疊合梁疲勞過程中的dmax-N曲線
Fig.3dmax-Ncurve in the fatigueprocess of composite beam

為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確度，試件極限破壞荷載與疲勞加載次數(shù)均取3個平行試件的均值。表1所示為兩種試件整個疲勞破壞過程中不同階段疲勞作用次數(shù)。由表1可知，相比于未設(shè)AR-SAMI的試件，設(shè)置AR-SAMI后形成疲勞裂縫所經(jīng)歷的作用次數(shù)提高了1倍；在整個裂縫擴(kuò)展直至斷裂失穩(wěn)的過程中所經(jīng)歷的疲勞次數(shù)提高了38 %；完全斷裂時所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)提高了57 %。

表1 兩組試件的疲勞試驗結(jié)果Tab.1 Fatigue test results of two groups of specimens

根據(jù)相同厚度設(shè)與未設(shè)AR-SAMI復(fù)合試件的疲勞試驗結(jié)果可知，設(shè)AR-SAMI的試件，控制開裂的能力、延緩裂縫擴(kuò)展的能力以及其整體的抗疲勞破壞能力都得到明顯的提高?？梢夾R-SAMI在反射裂縫的開裂與擴(kuò)展都起到了很好的抑制作用，使得試件在抵抗開裂的同時，有效地的提高了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

2 基于有限元的疲勞壽命分析

2.1 疲勞破壞與疲勞裂縫擴(kuò)展

圖4 疲勞裂縫擴(kuò)展典型階段Fig.4 Typical stage of fatigue crack propagation

瀝青混合料是一種典型的具有初始裂紋或缺陷(如空隙)的材料，荷載的反復(fù)作用致使這些微裂紋尺寸和數(shù)量急速增加并匯聚，當(dāng)數(shù)量達(dá)到最大同時尺寸增加到一個臨界值時這些微裂紋開始合并，之后形成一條新的宏觀裂紋，在交變荷載作用下逐步擴(kuò)展至臨界尺寸后產(chǎn)生失穩(wěn)而迅速斷裂，導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)的疲勞破壞[12]。圖4所示為疲勞裂縫擴(kuò)展典型階段，第②階段存在ΔK的下限值ΔKth，稱為裂縫擴(kuò)展應(yīng)力強(qiáng)度因子閥值，在ΔK<ΔKth的情況下裂縫不會發(fā)生擴(kuò)展；第④階段有ΔK的極限值ΔKC，即材料的斷裂韌度，當(dāng)ΔK=ΔKC時構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞[13]。疲勞裂縫擴(kuò)展階段以da/dN來描述，da/dN稱為疲勞裂縫擴(kuò)展速度，其表示荷載每循環(huán)一次所產(chǎn)生的裂縫長度增量，受裂縫前緣交變應(yīng)力場的控制，主要參量為荷載比與裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK[13]。

瀝青路面的使用壽命由兩部分組成，即疲勞裂紋生成壽命NC和疲勞裂縫擴(kuò)展壽命NP，前者是指由微觀瑕疵增長到宏觀可檢裂紋時所經(jīng)歷的加載次數(shù)，而后者是出現(xiàn)宏觀可檢裂縫擴(kuò)展到失穩(wěn)斷裂所經(jīng)歷的加載次數(shù)[14]。結(jié)構(gòu)的疲勞裂縫擴(kuò)展壽命NP主要決定于其內(nèi)部初始裂縫尺寸a0、臨界尺寸aC和其疲勞擴(kuò)展特性[13]。Paris公式是現(xiàn)如今分析瀝青路面疲勞裂縫擴(kuò)展問題時使用最為廣泛的力學(xué)模型，公式如下：

(1)

式中：ΔK=KImax-KImin，KImax、KImin為張開裂縫一次循環(huán)中荷載Pmax和Pmin相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子；C、m為材料參數(shù)，可通過Paris公式的對數(shù)形式進(jìn)行回歸計算：

(2)

在確定ΔK表達(dá)式的情況下，在a0和aC之間對Paris公式進(jìn)行積分，即可確定裂縫擴(kuò)展壽命，公式如下：

,

(3)

式中：NP為疲勞裂縫擴(kuò)展壽命；a0為初始裂縫長度；aC為臨界裂縫長度，可根據(jù)斷裂準(zhǔn)則確定。

2.2 基于有限元計算應(yīng)力強(qiáng)度因子

2.2.1 模型建立

為了準(zhǔn)確分析AR-SAMI對加鋪層應(yīng)力狀態(tài)和裂縫擴(kuò)展的影響，本文應(yīng)用有限元軟件ABAQUS模擬組合梁的三點彎曲試驗，建立三維空間模型。瀝青混合料面層與AR-SAMI為連續(xù)接觸，AR-SAMI與水泥面板之間定義為黏聚接觸。模型尺寸、結(jié)構(gòu)層厚度以及結(jié)構(gòu)形式與疲勞試驗所用試件保持一致，計算參數(shù)如表2所示。為與試驗匹配，在模型頂部中點位置施加與疲勞試驗同等大小荷載，在模型底部距離邊緣30 mm處設(shè)置絞支座邊界約束條件，并以C3D8R的單元類型對模型進(jìn)行網(wǎng)格離散，如圖5所示。

表2 模型計算參數(shù)Tab.2 Model calculation parameters

圖5 有限元分析模型
Fig.5 Finite element analysis model

2.2.2 計算結(jié)果

在AR-SAMI和不含AR-SAMI結(jié)構(gòu)中加鋪層的底部埋設(shè)初始裂紋，計算裂紋擴(kuò)展過程中不同長度和相應(yīng)的裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子KI，計算結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，設(shè)AR-SAMI后裂縫尖端的KI都低于未設(shè)AR-SAMI結(jié)構(gòu)的KI值。

表3 應(yīng)力強(qiáng)度因子計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of stress intensity factor

2.3 疲勞裂縫擴(kuò)展壽命預(yù)估與分析

通過對表3中AR-SAMI及各加鋪層內(nèi)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行回歸，得應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋長度的關(guān)系曲線如圖6所示，表達(dá)式分別如下：

KI1=0.01a3-0.32a2+4.14a+6.75，R2=0.99，

(4)

KI2=0.11a3-8.28a2+221.89a-1918，R2=0.99，

(5)

KI3=0.02a3-1.04a2+14.58a-5.72，R2=0.98。

(6)

式中KI1和KI2分別為設(shè)AR-SAMI結(jié)構(gòu)中AR-SAMI與加鋪層內(nèi)KI的表達(dá)式，KI3為直接加鋪瀝青層的結(jié)構(gòu)中加鋪層內(nèi)KI的表達(dá)式。

將以上表達(dá)式代入公式(3)中計算得各結(jié)構(gòu)層的NP。Paris公式中的各材料參數(shù)C和m可通過小梁彎曲疲勞試驗獲得，本文中取應(yīng)力吸收層的C=1.4×10-5，m=1.9；AC-13層的C=1.5×10-6，m=2.6[15]。結(jié)構(gòu)初始裂縫長度a0定為1 mm，aC為試驗中各結(jié)構(gòu)層斷裂時裂縫的長度，計算得：設(shè)AR-SAMI結(jié)構(gòu)中AR-SAMI與加鋪層內(nèi)裂縫疲勞擴(kuò)展壽命NP1和NP2分別為3 506和1 361次，因此，設(shè)AR-SAMI的結(jié)構(gòu)NP總值為4 867次，而直接加鋪瀝青層的結(jié)構(gòu)中加鋪層內(nèi)裂縫疲勞擴(kuò)展壽命NP3為3 582次。

圖6 各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力強(qiáng)度因子變化曲線圖Fig.6 Curves of stress intensity factors in different structural layers

表4 試驗與數(shù)值計算裂縫疲勞擴(kuò)展壽命對比Tab.4 Comparison of NP between experiment and numerical calculation

表4所示為兩種結(jié)構(gòu)疲勞裂縫擴(kuò)展壽命的試驗與數(shù)值計算結(jié)果的對比。結(jié)果顯示，應(yīng)用斷裂力學(xué)對裂縫疲勞擴(kuò)展壽命的預(yù)測與室內(nèi)試驗結(jié)果保持較好的一致性；以應(yīng)力吸收層替換同等厚度的加鋪層后，其依靠自身較高的疲勞性能使得裂縫疲勞擴(kuò)展壽命提高36 %；另外應(yīng)力吸收層對結(jié)構(gòu)總疲勞作用次數(shù)的提高起到關(guān)鍵作用，其經(jīng)歷的疲勞作用次數(shù)占總值的70 %。由此可知，AR-SAMI不僅可有效抵抗基層裂縫的反射，還顯著提高了路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能，使其疲勞壽命顯著增加。

3 結(jié)論

① 對比設(shè)AR-SAMI與直接加鋪瀝青面層兩種結(jié)構(gòu)不同階段的疲勞作用次數(shù)可知，設(shè)應(yīng)力吸收層抗裂能力提高2倍，抗裂縫擴(kuò)展能力提高了38 %，疲勞壽命提高57 %，說明AR-SAMI可有效抑制裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，提高裂縫疲勞擴(kuò)展壽命，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力。

② 通過數(shù)值計算，設(shè)AR-SAMI在開裂后使得裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子值降低了66 %，大大降低了裂縫擴(kuò)展的速率，對控制裂縫反射方面起到很好的作用。

③ 基于斷裂力學(xué)的有限元疲勞裂縫擴(kuò)展壽命預(yù)估結(jié)果顯示，AR-SAMI依靠自身較高的疲勞性能使得結(jié)構(gòu)整體的疲勞擴(kuò)展壽命增加，相比未設(shè)應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)提高了36 %。