水泥路面碎石化層頂部抗裂夾層疲勞性能分析*

劉展瑞， 羅少輝， 袁朝圣

(1.廣西壯族自治區(qū) 玉林公路發(fā)展中心， 廣西 玉林 537000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

對(duì)舊水泥路面采用專用設(shè)備進(jìn)行均勻的原位沖擊、破碎、壓實(shí)，破壞路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體性后形成碎石化結(jié)構(gòu)層，一般需通過(guò)加鋪瀝青層進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。新的路面結(jié)構(gòu)在交通荷載不斷作用下，應(yīng)力、應(yīng)變長(zhǎng)期處于交迭變化之下，易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂，嚴(yán)重影響瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的使用壽命。為提高瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的使用壽命，在碎石化層頂部增設(shè)抗裂性能優(yōu)異的富油瀝青AC-10抗疲勞夾層，工程應(yīng)用效果良好。為進(jìn)一步揭示碎石化層頂部抗裂夾層的抗裂機(jī)理，該文對(duì)抗裂夾層開(kāi)展疲勞試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析。路面結(jié)構(gòu)層疲勞壽命通過(guò)裂紋出現(xiàn)的閾值及擴(kuò)展速率或材料性能(如強(qiáng)度)的衰減及對(duì)應(yīng)的破壞準(zhǔn)則進(jìn)行研究分析。分析結(jié)構(gòu)采用廣西玉林市博白縣省道S209線路面大修工程(包括K141+541—K143+541、K144+541—K148+541兩段共6 km)，舊水泥砼路面采用多錘頭破碎工藝進(jìn)行碎石化。在舊路面碎石化層與瀝青加鋪層之間設(shè)置3 cm AC-10瀝青混合料抗裂夾層。通過(guò)疲勞試驗(yàn)測(cè)試AC-10瀝青混合料的疲勞性能，并建立有限元模型對(duì)比不同加鋪方式下加鋪層底的力學(xué)行為、裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子及其擴(kuò)展速率，探討AC-10瀝青混合料夾層抗裂作用的力學(xué)機(jī)理。

1 疲勞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及方法

1.1.1 試驗(yàn)材料

瀝青技術(shù)性能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求，粗、細(xì)集料和填料均為石灰?guī)r石料，瀝青混合料按馬歇爾試驗(yàn)法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。瀝青混合料疲勞試件采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0703方法輪碾成型，再切割成棱柱體試件250 mm×30 mm×35 mm。

1.1.2 試驗(yàn)儀器及方法

采用MTS-810材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行中點(diǎn)加載彎曲疲勞試驗(yàn)，模擬路面在車輪荷載作用下的實(shí)際受力情況。試驗(yàn)選用應(yīng)力控制模式下半正弦波加載，頻率為10 Hz，荷載水平分別為0.2、0.3、0.4和0.54種應(yīng)力比。為避免試件產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，半正弦波荷載的最小荷載為最大荷載的2%。彎曲試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0715-2011進(jìn)行，加載速率為50 mm/min，彎曲試驗(yàn)溫度與疲勞試驗(yàn)溫度為15 ℃。

1.2 疲勞方程

為減少試驗(yàn)誤差，每種混合料在每個(gè)應(yīng)力比下制作6個(gè)試件進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，試件破損或加載即壞不予記錄。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行雙對(duì)數(shù)曲線擬合，具有較好的線性關(guān)系。疲勞方程如下：

Nf=ks-n

(1)

式中：Nf為荷載作用次數(shù)，即疲勞壽命；s為應(yīng)力比σ/σf；σ為每次施加于試件的常量應(yīng)力的最大幅度；σf為根據(jù)彎曲試驗(yàn)確定的抗彎拉強(qiáng)度值；k、n為回歸系數(shù)，k反映材料疲勞性能的優(yōu)劣，n表示材料的疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度。

表1 瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

擬合得到AC-10瀝青混合料的彎曲試驗(yàn)疲勞方程為：

(2)

σ可取AC-10層底最大拉應(yīng)力，σ=0.34 MPa，AC-10抗彎拉強(qiáng)度為8.22 MPa，代入式(2)，得Nf=2.51×106次。該疲勞壽命為AC-10開(kāi)始出現(xiàn)初始疲勞裂縫時(shí)的荷載作用次數(shù)，是室內(nèi)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理得到的疲勞方程的計(jì)算結(jié)果。國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，實(shí)際使用時(shí)現(xiàn)場(chǎng)疲勞壽命比室內(nèi)疲勞試驗(yàn)所得結(jié)果大很多，一般大20～100倍。按此估算的疲勞壽命為5×107～2.5×108次，能滿足該工程設(shè)計(jì)交通量的要求。

2 抗裂層數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值建模方法

采用ABAQUS有限元軟件建立模型進(jìn)行抗裂層數(shù)值分析。為模擬碎石化后路面結(jié)構(gòu)，將破碎后舊水泥路面分為6 cm碎石化層和20 cm塊裂化層，其中碎石化層通過(guò)降低模量和泊松比模擬，塊裂化層中每隔60 cm設(shè)置一條縱向裂紋，由于塊裂化層整體性較強(qiáng)，不作斷裂分析，同時(shí)在抗裂夾層AC-10中設(shè)置隨機(jī)微小裂縫。模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型參數(shù)及幾何尺寸

對(duì)AC-10厚度及模量范圍進(jìn)行模擬時(shí)，加鋪層的層底應(yīng)力隨其模量、厚度而減少，但從工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面考慮，選擇適合實(shí)際工程的參數(shù)。交通荷載以對(duì)稱和偏載分布在縱向裂紋上方(見(jiàn)圖1)。

圖1 計(jì)算荷載分布

2.2 力學(xué)行為分析

如圖2所示，荷載作用在路面時(shí)，裂縫周圍的單元變形具有相互擠壓的趨勢(shì)，即裂縫趨于愈合；荷載消失時(shí)單元變形恢復(fù)，即裂縫張開(kāi)。在循壞荷載作用下裂縫的張合作用產(chǎn)生疲勞裂縫擴(kuò)展。荷載分布方式不同，裂紋擴(kuò)展速度也不同。對(duì)稱荷載作用時(shí)，裂紋尖端應(yīng)力呈對(duì)稱分布，裂紋擴(kuò)展效果較弱；偏載作用下，裂紋尖端左邊應(yīng)力明顯大于右邊。

圖2 模型一荷載作用下裂縫處應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

圖3為偏荷載作用下AC-10層中裂紋豎向應(yīng)力變化。從圖3可看出：裂紋尖端(突變點(diǎn))彎曲應(yīng)力為負(fù)，即壓縮應(yīng)力，說(shuō)明徑向應(yīng)力與豎向應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，不考慮溫度作用時(shí)，剪切應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的唯一原因。為模擬裂紋尖端出現(xiàn)的剪切破壞，在考慮疲勞裂紋破壞時(shí)選用最不利工況，即考慮偏載。

圖3 偏荷載作用下AC-10層中裂紋豎向應(yīng)力變化

瀝青加鋪層層底應(yīng)力及彎沉計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知：1) 不論交通荷載是對(duì)稱分布還是偏載分布，模型二下加鋪層層底應(yīng)力遠(yuǎn)大于模型一，說(shuō)明AC-10的布設(shè)可極大降低加鋪層層底應(yīng)力，尤其在偏載作用下，AC-10對(duì)應(yīng)力的減少程度遠(yuǎn)高于對(duì)稱荷載。2) 在設(shè)有AC-10的情況下，交通荷載分布方式對(duì)加鋪層層底應(yīng)力的影響可忽略，遠(yuǎn)低于未布設(shè)AC-10偏荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，為對(duì)稱荷載的1.3～1.5倍。這是由于AC-10起到了模量過(guò)渡作用，提高了路面結(jié)構(gòu)整體模量的均勻性，同時(shí)AC-10具有較強(qiáng)的變形能力，能契合上層加鋪層的變形，直接改變加鋪層與下層之間的層間接觸作用，降低最大等效應(yīng)力和剪應(yīng)力，消散基層裂縫尖端的能量，延緩裂縫向上擴(kuò)展到新加鋪層的表面。2) AC-10對(duì)彎沉的影響較小，但并不是彎沉與下層模量及厚度關(guān)系不大，模型一下層組合形成的等效模量與模型二相差不大，AC-10對(duì)彎沉影響較小。

表3 瀝青加鋪層層底應(yīng)力、彎沉分析結(jié)果

2.3 疲勞壽命預(yù)估

斷裂力學(xué)理論認(rèn)為，在外荷載作用時(shí)，若結(jié)構(gòu)裂紋等缺陷附近產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，將導(dǎo)致屈服強(qiáng)度不能滿足裂紋處所產(chǎn)生的局部應(yīng)力，從而使裂紋在外加循環(huán)應(yīng)力作用下逐漸擴(kuò)展，即疲勞裂紋擴(kuò)展。交通荷載下瀝青砼疲勞裂縫擴(kuò)展過(guò)程分析可采用Paris經(jīng)驗(yàn)公式[見(jiàn)式(3)]預(yù)估疲勞開(kāi)裂壽命，但在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)需在材料受拉區(qū)布設(shè)一道長(zhǎng)度為0.1～0.2 cm的初始裂紋。

(3)

式中：da/dN為裂紋擴(kuò)展速率；A、n為與材料性質(zhì)(瀝青混合料中瀝青性質(zhì)、含量及混合料孔隙率等)有關(guān)的系數(shù)；K為應(yīng)力強(qiáng)度因子。

A、n根據(jù)瀝青砼疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，取疲勞裂縫擴(kuò)展參數(shù)A=1.475×10-11，n=1.903。根據(jù)式(3)，將裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度沿其擴(kuò)展方向分為多等份，從裂紋原始長(zhǎng)度開(kāi)始，逐步增大裂紋長(zhǎng)度(一份設(shè)置為一步)，以此來(lái)模擬裂紋從初始階段到貫穿整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的各個(gè)階段。模型一與模型二的有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，瀝青層裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化見(jiàn)圖4。

從表4可看出：模型一路面結(jié)構(gòu)總疲勞循環(huán)次數(shù)是模型二的1.9 倍，3 cmAC-10增大了面層結(jié)構(gòu)厚度，延長(zhǎng)了裂紋擴(kuò)展的路徑長(zhǎng)度，路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大幅提升；式(3)得到的AC-10疲勞次數(shù)為2×107次，相比疲勞試驗(yàn)得到的預(yù)估疲勞壽命5×107～2.5×108次有所降低，這是由于有限元計(jì)算是基于斷裂力學(xué)理論，在計(jì)算前需設(shè)定結(jié)構(gòu)在荷載作用前即出現(xiàn)微小裂縫，AC-10的結(jié)構(gòu)完整性受到破壞，降低了AC-10抵抗裂縫擴(kuò)展的能力。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，舊水泥板破碎后模量降低，將使層間拉應(yīng)力和裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，縮短路面疲勞壽命。但從表4、圖4來(lái)看，破碎后應(yīng)力強(qiáng)度因子比破碎前小1倍，說(shuō)明下層模量大小不是影響應(yīng)力強(qiáng)度因子變化的主要因素。結(jié)合式(4)分析，碎石化技術(shù)在影響層間應(yīng)力的同時(shí)，還降低了舊水泥板中裂紋長(zhǎng)度a及裂紋形狀參數(shù)Y(與裂紋邊界條件和幾何形狀有關(guān))，是影響裂紋擴(kuò)展的主要因素。裂紋擴(kuò)展到0.15 m時(shí)，瀝青層中的應(yīng)力在外荷載作用下迅速增大，導(dǎo)致應(yīng)力強(qiáng)度因子變化速率迅速加快，使瀝青層中應(yīng)力的影響成為裂紋擴(kuò)展的主導(dǎo)作用。模型二應(yīng)力強(qiáng)度因子增速遠(yuǎn)快于模型一，是因?yàn)锳C-10增大了下層結(jié)構(gòu)的組合模量，使荷載作用下瀝青層中產(chǎn)生的應(yīng)力較小，碎石化層破碎粒徑(模量)成為上層疲勞壽命的主要影響因素。

表4 模型應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果

圖4 瀝青層裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律

(4)

式中：KⅡ?yàn)棰蛐蛻?yīng)力強(qiáng)度因子(Pa·m1/2)；Y為裂紋形狀參數(shù)，與裂紋邊界條件和幾何形狀有關(guān)；τ為應(yīng)力(Pa)；a為裂紋長(zhǎng)度(m)。

從圖4可看出：裂紋擴(kuò)展到兩種材料的交界面時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子出現(xiàn)較明顯的轉(zhuǎn)折；裂紋擴(kuò)展到0.03(模型一AC-10頂面)及0.12 m(模型二ATB-25頂面)時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子有下降趨勢(shì)或增速變緩，而在同一層中裂紋擴(kuò)展速率增大。這是由于上一層阻斷了裂縫的連續(xù)貫通，減弱了裂紋尖端的奇異性，同時(shí)新的瀝青層將加強(qiáng)對(duì)裂紋的邊界影響，使下層裂縫尖端的發(fā)展受到約束，裂縫形狀參數(shù)減小。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)彎曲試驗(yàn)建立AC-10疲勞方程預(yù)估其疲勞性能，結(jié)果表明AC-10疲勞壽命能滿足玉林市博白縣省道S209線路面大修工程的交通荷載等級(jí)要求。

(2) 對(duì)比不同荷載分布方式下路面加鋪結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，AC-10能大大降低瀝青加鋪層層底最大等效應(yīng)力及剪應(yīng)力，基層垂直裂縫尖端的能量在AC-10界面水平消散，可延緩裂縫向上擴(kuò)展到新加鋪層的表面，且效果在偏荷載作用時(shí)更明顯，為對(duì)稱荷載的1.3～1.5倍，但AC-10對(duì)加鋪層彎沉的影響較小。

(3) 不同加鋪方式下Paris公式預(yù)估路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命與疲勞試驗(yàn)所得疲勞壽命在同一數(shù)級(jí)，設(shè)置抗裂夾層的路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命約為未設(shè)置路面結(jié)構(gòu)的1.9倍，抗裂夾層能顯著提高碎石化路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

(4) 在裂紋初始階段，裂紋的連通長(zhǎng)度及形狀參數(shù)是影響裂紋擴(kuò)展的主要因素。AC-10通過(guò)阻斷裂縫的連續(xù)性減弱裂紋尖端的奇異性，加強(qiáng)對(duì)裂紋的邊界影響，使碎石化層裂縫尖端的發(fā)展受到約束作用，降低形狀參數(shù)Y、裂紋長(zhǎng)度a，增加面層厚度，從而延長(zhǎng)裂縫擴(kuò)展路徑。