高彈性應(yīng)力吸收帶疲勞試驗(yàn)及阻裂機(jī)理研究*

李德軍， 羅少輝， 唐永紅， 李強(qiáng),3

(1.湖南省岳陽市公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中心， 湖南 岳陽 414000；2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114；3.道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410114)

反射裂縫是舊水泥砼路面加鋪瀝青路面后的主要病害之一，其在加鋪層層底萌生和擴(kuò)展的主要原因是舊水泥砼路面接、裂縫處的應(yīng)力局部效應(yīng)。談至明等從理論力學(xué)模型上證明了設(shè)置局部軟弱夾層可有效防止因局部應(yīng)力形成的張開型反射裂縫。為削弱和防止產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在阻裂夾層材料與方法上不斷創(chuàng)新，逐漸形成了全幅鋪設(shè)和條帶狀鋪設(shè)中間夾層兩類處治方式。全幅鋪設(shè)雖能控制隨機(jī)產(chǎn)生的裂縫，但經(jīng)濟(jì)性較差，施工難度大，施工質(zhì)量難以保證。沿接、裂縫方向鋪設(shè)的條帶狀層間防反射裂縫方式因其價(jià)格低廉、操作簡單而得到推廣應(yīng)用。條帶狀鋪設(shè)的防裂材料主要有高分子抗裂貼和高彈性橡膠瑪蹄脂應(yīng)力吸收帶。目前對(duì)新型高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂夾層材料的應(yīng)用較少，且對(duì)條帶鋪設(shè)整體性能評(píng)價(jià)局限于車轍試驗(yàn)獲得的疲勞壽命，缺乏該措施下應(yīng)力擴(kuò)散情況及抗裂機(jī)理分析。該文結(jié)合實(shí)體工程，采用新型高彈性體接縫填充材料(HZ/ZD-4型)構(gòu)成高彈性應(yīng)力吸收帶，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比普通灌縫、高分子抗裂貼、高彈性應(yīng)力吸收帶的抗裂效果，并建立三維有限元模型分析移動(dòng)荷載作用下模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及阻裂力學(xué)機(jī)理。

1 原材料

試驗(yàn)采用AC-13C瀝青混合料，其中集料采用石灰?guī)r，配合比見表1。瀝青采用SBS改性瀝青，油石比為4.9%。經(jīng)檢測，瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

表1 瀝青混合料集料級(jí)配

高分子抗裂貼的技術(shù)指標(biāo)見表2。高彈性應(yīng)力吸收帶以聚合物彈性體材料為基材，通過特殊施工工藝將5種功能材料組合形成高彈性體填充材料，具有高彈性、強(qiáng)黏結(jié)性、柔韌性及阻裂性能，技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2 高分子抗裂貼的技術(shù)指標(biāo)

表3 高彈性應(yīng)力吸收帶的技術(shù)指標(biāo)

2 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

采用DWT雙輪漢堡車轍儀，通過輪載的往返模擬原路面在行車荷載下反射裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展。為便于觀察與量測不同抗裂處治措施下瀝青砼加鋪層反射裂縫擴(kuò)展情況，對(duì)車轍儀的試模進(jìn)行改進(jìn)，將一側(cè)鋼板拆除，采用F型夾具固定試模及試件，保證百分表在試件側(cè)面的安裝與數(shù)值讀取(見圖1)。

圖1 車轍儀試模拆除及固定方法

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

通過國內(nèi)外疲勞開裂模擬試驗(yàn)裝置和室內(nèi)模擬試驗(yàn)的比較分析，發(fā)現(xiàn)在車轍輪載作用條件下板式支承試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀^測到的是車轍破壞，很難觀測到裂紋擴(kuò)展開裂破壞，只有在簡支支承條件下模型結(jié)構(gòu)才呈現(xiàn)典型的裂紋擴(kuò)展破壞。因此，室內(nèi)模型試驗(yàn)選用簡支支承，試驗(yàn)方案見表4，模型結(jié)構(gòu)見圖2，橡膠墊塊采用3 cm以改進(jìn)車轍試驗(yàn)，滿足模具高度。

表4 室內(nèi)結(jié)構(gòu)模型方案

圖2 簡支支承條件下抗裂處治措施結(jié)構(gòu)模型(單位：cm)

2.3 試樣制備

車轍試件為靜壓法成型的AC-13C瀝青混合料，壓實(shí)度為92%，尺寸為30 cm×30 cm×3 cm。將滿足要求的AC-13C試件黏結(jié)制成路面結(jié)構(gòu)模型，步驟如下：1) 采用麻石切割加工成30 cm×30 cm×4 cm試塊，并在中間切縫模擬2塊水泥砼路面接縫；2) 將3種抗裂材料按照其施工工藝對(duì)麻石試塊接、裂縫進(jìn)行抗裂處理；3) 麻石試件涂抹SBS改性瀝青黏層油，將其瀝青車轍試件黏結(jié)組成抗裂結(jié)構(gòu)模型，并在瀝青混合料層預(yù)裂范圍側(cè)面涂白色涂料，以便從側(cè)面觀察和量測裂縫發(fā)展。

將成型試件、墊塊及試模安裝固定在漢堡車轍儀試驗(yàn)臺(tái)上，車轍輪位于成型試件的中央，其滾動(dòng)方向與試件裂縫方向垂直[見圖1(a)]。

2.4 試驗(yàn)參數(shù)

溫度設(shè)定為室溫(25±0.5) ℃；試輪接地壓強(qiáng)為(0.7±0.05) MPa；行走次數(shù)為(52±1) 次/min；模擬舊水泥砼路面接縫的麻石預(yù)設(shè)裂縫寬度為8 mm。

3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗疲勞性能

3種抗裂材料室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果見表5。由于高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂措施試件在未出現(xiàn)明顯裂縫時(shí)已發(fā)生嚴(yán)重車轍破壞，且試驗(yàn)輪載作用次數(shù)已遠(yuǎn)超其他抗裂方案，選擇終止試驗(yàn)。

表5 簡支支承條件下疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：從產(chǎn)生初裂輪載作用次數(shù)來看，抗裂貼處治措施為普通灌縫的2倍，裂縫完全貫穿瀝青加鋪層(終裂)時(shí)抗裂貼處治措施的輪載作用次數(shù)約為普通灌縫的1.85倍；從初裂到終裂的輪載作用次數(shù)來看，普通灌縫平均為4 450次，而抗裂貼處治措施平均為9 045次，后者為前者的2倍。說明在產(chǎn)生反射裂縫后，經(jīng)抗裂貼處治后抗裂紋擴(kuò)展能力強(qiáng)于普通灌縫；高彈性應(yīng)力吸收帶抗反射裂縫的效果強(qiáng)于抗裂貼。

3.2 反射裂縫擴(kuò)展規(guī)律

裂紋擴(kuò)展寬度采用百分表從瀝青加鋪層側(cè)面量測，采用高清攝影機(jī)記錄百分表讀數(shù)，獲取裂紋寬度與輪載作用次數(shù)的關(guān)系。抗裂貼和普通灌縫各取2個(gè)典型試件數(shù)據(jù)，繪制裂縫擴(kuò)展寬度隨輪載作用次數(shù)的擴(kuò)展趨勢(shì)圖(見圖3)。

圖3 裂縫擴(kuò)展寬度隨輪載作用次數(shù)擴(kuò)展趨勢(shì)

在輪載重復(fù)作用下舊路面接、裂縫處頂部材料劣化，在尖端應(yīng)力效應(yīng)下產(chǎn)生初始裂紋，并向?yàn)r青加鋪層擴(kuò)展。在這個(gè)過程中，裂縫處治材料抗裂性能的優(yōu)劣影響裂紋擴(kuò)展寬度和擴(kuò)展速度。從圖3可看出：普通灌縫處治方案的反射裂縫寬度隨輪載作用次數(shù)的增加呈線性增大，抗裂貼處治方案的裂紋擴(kuò)展速度相對(duì)較緩；裂紋完全貫穿瀝青加鋪層時(shí)，普通灌縫與抗裂貼措施下反射裂縫終裂寬度相差不大。

高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂措施在試件出現(xiàn)嚴(yán)重車轍時(shí)，側(cè)面未觀測到明顯裂紋擴(kuò)展，百分表能量測到的2個(gè)試件的位移為0.030與0.035 mm。

以阻裂率CRR作為抗裂材料抵抗反射裂縫能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：a0為普通灌縫措施下裂紋終裂時(shí)最大寬度；amax為其他抗裂措施下裂紋終裂時(shí)最大寬度。

根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)中百分表量測結(jié)果，按式(1)計(jì)算得抗裂貼處治方案1#、2#試件的阻裂率分別為13.3%、9.2%，高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂方案1#、2#試件的阻裂率分別為98.2%、97.9%。高彈性應(yīng)力吸收帶的阻裂效果遠(yuǎn)好于抗裂貼處治方案。

4 室內(nèi)模型試驗(yàn)有限元分析

4.1 有限元模型

4.1.1 模型結(jié)構(gòu)

為模擬移動(dòng)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，建立簡支支承模型結(jié)構(gòu)(見圖4)。模型結(jié)構(gòu)底部完全約束，頂部荷載作用面不作約束，與行車方向垂直面允許其豎向位移及轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)作以下假設(shè)：不考慮抗裂貼及應(yīng)力吸收帶材料阻尼現(xiàn)象，路面結(jié)構(gòu)層材料為均質(zhì)體，采用線彈性模型；瀝青混合料層與舊水泥面層中間采用瀝青黏結(jié)，界面連續(xù)且不發(fā)生層間相對(duì)滑移；水泥板與橡膠墊塊界面之間相對(duì)滑移很小，采用small sliding接觸分析。

圖4 模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

4.1.2 材料參數(shù)

通過模態(tài)分析獲得結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)，其中路面結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02～0.2，選取阻尼比0.05，其他參數(shù)見表6。

表6 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)阻裂材料對(duì)路面結(jié)構(gòu)的加筋作用和黏結(jié)作用，不考慮其阻尼作用，分別采用拉伸模量及黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)抗裂貼進(jìn)行模擬，得拉伸模量為200 MPa、黏結(jié)強(qiáng)度為0.2 MPa，高彈性應(yīng)力吸收帶的彈性模量為800 MPa。

4.1.3 移動(dòng)荷載

黃仰賢在研究動(dòng)態(tài)荷載作用時(shí)間問題時(shí)，采用式(2)所示荷載時(shí)間簡化計(jì)算公式，得到荷載作用在瀝青混合料層表面的時(shí)間約為0.9 s。

(2)

式中：T為荷載作用時(shí)間(s)；l為車輪接觸面積半徑(cm)；v為車輪行駛速度(cm/s)。

移動(dòng)荷載垂直裂紋方向，車輪接觸面積為5 cm×2.2 cm。為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)荷載，在瀝青混合料層表面設(shè)置荷載移動(dòng)網(wǎng)格條帶，每個(gè)網(wǎng)格長度、寬度均與車輪接觸瀝青面的寬度相同，共分為10個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)階躍時(shí)間荷載作用一個(gè)網(wǎng)格，通過Visual Fortran 2013編寫用戶子程序vdload并關(guān)聯(lián)Visual Studio 2012，通過調(diào)用子程序完成移動(dòng)荷載分布。

4.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)分析

4.2.1 應(yīng)力云圖

荷載是否實(shí)現(xiàn)移動(dòng)可通過加鋪層表面荷載作用時(shí)產(chǎn)生的荷載應(yīng)力進(jìn)行判別，隨著時(shí)間變化，荷載作用位置不同，結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力變化也不同。圖5為模型結(jié)構(gòu)不同時(shí)間點(diǎn)及視圖切片的Mise應(yīng)力云圖。

圖5 模型結(jié)構(gòu)不同時(shí)間點(diǎn)及視圖切片的Mise應(yīng)力云圖(單位：Pa)

從圖5可看出：在移動(dòng)荷載作用下，Mise應(yīng)力由裂紋中部逐漸向兩端降低。根據(jù)網(wǎng)格劃分判斷荷載移動(dòng)距離，階躍時(shí)間為0.45 s時(shí)，移動(dòng)荷載正好作用在舊水泥砼路面接縫上方，此時(shí)瀝青混合料層層底及接縫兩邊的連接處出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象；移動(dòng)荷載逐漸駛離接縫正上方時(shí)，在荷載作用一側(cè)的接縫頂端出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。說明不管荷載移動(dòng)到哪個(gè)位置，接縫頂端處均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處也是初始裂紋產(chǎn)生的部位。

4.2.2 抗裂機(jī)理分析

隨著加載的移動(dòng)，舊水泥砼路面接縫上方瀝青混合料層層底應(yīng)力狀態(tài)隨著時(shí)間變化而變化。應(yīng)力云圖分析表明荷載作用在接縫正上方時(shí)，接縫處產(chǎn)生最大應(yīng)力。因此，以接縫上方瀝青混合料層層底部位作為分析對(duì)象，繪制移動(dòng)荷載作用下瀝青混合料層層底剪應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(見圖6)。

圖6 瀝青混合料層層底剪應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

從圖6可看出：抗裂貼處治方案與普通灌縫方案的瀝青混合料層剪應(yīng)力變化曲線沒有明顯差異，而高彈性應(yīng)力吸收帶方案的剪應(yīng)力減小幅度大于其他方案，峰值強(qiáng)度由0.14 MPa減少到0.08 MPa，說明抗裂貼對(duì)剪應(yīng)力的消散作用不顯著。分析其原因，在剪切作用下抗裂貼抗反射裂縫的能力主要來自于抗裂貼與舊水泥砼路面的黏結(jié)力，黏結(jié)力強(qiáng)的抗裂貼在抗疲勞開裂性能上更優(yōu)。而抗裂貼黏結(jié)力大小受材料黏結(jié)性能及施工工藝影響較大，施工前舊水泥砼路面接縫處界面處理不徹底、施工過程中加熱滾壓不到位都會(huì)嚴(yán)重影響抗裂貼的黏結(jié)力，從而影響抗裂貼的阻裂效果。采用高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂方案，相當(dāng)于在舊水泥砼路面接縫與瀝青加鋪層間設(shè)置一薄層柔軟夾層將兩者隔開，并起到彈性緩沖協(xié)調(diào)變形作用，從而大大降低荷載作用下剪切作用的影響。

板式試件應(yīng)力分布較復(fù)雜，板中每個(gè)方向都存在不同受力狀態(tài)，圖7為板中沿行車方向、垂直于行車方向不同抗裂方案下最大主應(yīng)力分布情況。

圖7 瀝青混合料層層底中截面橫向應(yīng)力變化(t=0.45 s)

從圖7可看出：1) 荷載作用于板中時(shí)，沿行車方向最大主應(yīng)力由板中迅速向兩邊減小。采用抗裂貼和高彈性應(yīng)力吸收帶處治方案，板中最大主應(yīng)力由普通灌縫方案的0.60 MPa分別下降至0.41與0.32 MPa，但在距板中4～9 cm范圍最大主應(yīng)力略大于普通灌縫，且高彈性應(yīng)力吸收帶更顯著。距板中4～9 cm范圍是舊水泥砼、應(yīng)力吸收帶或抗裂貼、瀝青混合料、黏層材料相互接觸區(qū)域，材料交界部位會(huì)有尖端應(yīng)力效應(yīng)，同時(shí)抗裂貼和高彈性應(yīng)力吸收帶會(huì)進(jìn)一步平緩板中部位的應(yīng)力峰值。2) 板式試件底部的最大主應(yīng)力峰值并不在板中位置，而是出現(xiàn)在距板中兩側(cè)10 cm左右即4倍輪半寬位置。板底峰值最大主應(yīng)力由普通灌縫的0.75 MPa降到抗裂貼的0.54 MPa和高彈性應(yīng)力吸收帶的0.40 MPa，且后兩者的變化更平緩。

綜合瀝青混合料層底剪應(yīng)力和層底中截面橫向應(yīng)力變化，抗裂貼抵抗反射裂縫主要以加筋作用為主，增強(qiáng)瀝青混合料層層底水平抗變形能力，即垂直于行車方向的加筋作用顯著；高彈性應(yīng)力吸收帶對(duì)瀝青混合料層底抗剪及抗拉均有明顯改善作用，能顯著提高瀝青混合料加鋪結(jié)構(gòu)層的抗裂性能。

5 結(jié)論

(1) 在3種舊水泥砼路面“白改黑”抗裂處治措施中，高彈性應(yīng)力吸收帶和抗裂貼的平均阻裂率分別為98.1%、11.3%，抗裂貼初裂和終裂輪載作用次數(shù)分別為普通灌縫的2倍、1.85倍，抗裂貼對(duì)接縫反射裂縫有一定延緩作用，高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂效果最佳。

(2) 抗裂貼與普通灌縫方案的接縫頂部瀝青混合料層底剪應(yīng)力變化曲線沒有明顯差異，而高彈性應(yīng)力吸收帶方案的剪應(yīng)力減小幅度較明顯；垂直于行車方向的瀝青混合料層層底中截面橫向最大主應(yīng)力呈馬鞍形分布，且峰值隨著抗裂措施的不同而顯著降低。

(3) 抗裂貼主要以加筋作用為主，抵抗張拉型反射裂縫效果明顯；高彈性應(yīng)力吸收帶兼具彈性夾層和抗裂貼的作用，抵抗剪切型及張拉型反射裂縫的效果顯著。