水溫環(huán)境作用下瀝青裂縫修補組合結(jié)構(gòu)抗壓性能研究

左中和，楊 雁

（中南林業(yè)科技大學土木工程學院，湖南長沙 410004）

0 引言

瀝青混凝土（Asphalt Concrete, AC）路面具有表面平整、耐磨性能好、強度高以及無縫等優(yōu)點，在我國公路基礎(chǔ)工程建設(shè)中受到廣泛應(yīng)用。瀝青混凝土通常鋪筑于瀝青路面的面層，在長期車輛荷載和自然環(huán)境的作用下，極易產(chǎn)生不同形態(tài)的裂縫[1]。為了延長瀝青路面的使用壽命，在實際工程維護中通常會向瀝青裂縫中注入修補材料，并使其以裂縫修補組合結(jié)構(gòu)的形式繼續(xù)工作。水溫環(huán)境會加速瀝青混凝土路面老化[2-3]，裂縫修補組合結(jié)構(gòu)存在修補材料與瀝青混凝土之間的界面過渡區(qū)，其受水-熱耦合作用下極易產(chǎn)生二次破壞。因此，探明不同水溫環(huán)境作用下瀝青混凝土裂縫修補組合結(jié)構(gòu)的性能衰變規(guī)律，對提升瀝青混凝土路面的裂縫修補效果、延長道路的壽命具有重大意義。

本試驗選用環(huán)氧樹脂膠和環(huán)氧丙烯酸酯/聚氨酯互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（EA/PUIPN）分別對豎向裂縫和V 型裂縫進行修補，并針對30℃、40℃、50℃、60℃四種水溫環(huán)境作用，研究了不同水溫環(huán)境作用下AC 裂縫修補組合結(jié)構(gòu)抗壓性能的變化規(guī)律，并建立了其Logistic 損傷預(yù)測模型。

1 試驗

1.1 試驗原材料

1.1.1 瀝青混凝土基體

瀝青采用道路改性瀝青，型號為路翔SBS（1-D），粗集料為花崗巖碎石，細集料為河沙，填料為石灰石礦粉和消石灰粉，瀝青混合料石油比為5.1%，集料級配如表1 所示。

表1 集料級配

1.1.2 裂縫修補材料

環(huán)氧樹脂膠采用德意生產(chǎn)的E44 型環(huán)氧樹脂AB膠，環(huán)氧樹脂與固化劑的比例為1:1；EA/PU IPN 修補材料各成分質(zhì)量比為環(huán)氧丙烯酸酯100%，聚氨酯50%，稀釋劑70%，引發(fā)劑5%，促進劑5%，交聯(lián)劑25.8%。

1.2 試驗方法

1.2.1 試件成型

本試驗參照標準《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）中的T0703—2011 和T0714—1993，制作出40mm×40mm×80mm 的基準試件，將基準試件沿高度方向從中切開，分別模擬6mm 寬的垂直裂縫和V 型裂縫，待試件干燥后將兩種修補材料灌入模擬裂縫中。待修補材料固化后，養(yǎng)護7d，獲得裂縫修補組合結(jié)構(gòu)單軸抗壓試件，并將試件按修補材料與裂縫形態(tài)分別編號為EP-H、EP-V、EA-H、EA-V。

1.2.2 水溫環(huán)境模擬

先對試件進行真空飽水處理，使試件飽水；將試件浸泡于水中，并置于真空箱內(nèi)，使真空箱在97.3kPa 的真空度下保持15min，完成真空飽水處理；取出飽水試件，將其放入已達設(shè)定溫度的恒溫水浴鍋中，恒溫48h，并分別設(shè)定水溫為30℃、40℃、50℃和60℃。

1.2.3 單軸抗壓試驗

單軸壓縮試驗基于標準《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）中的T0714—1993 瀝青混合料單軸壓縮試驗（棱柱體法）方法進行，試驗儀器為CMT 5105 型萬能試驗機。試驗步驟為：將經(jīng)水溫環(huán)境模擬后的基準試件和修補組合結(jié)構(gòu)試件置于試驗機臺座上，上下各墊一張薄聚四氟乙烯薄膜，荷載的加載速率設(shè)定為50mm/min。為保障測試數(shù)據(jù)的準確性，每組至少備有3 個平行試件，且試件從模擬環(huán)境中取出直至破壞不得超過45s。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓性能

在不同水溫環(huán)境作用下，基準試件和各裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件的單軸壓縮測試結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 不同水溫環(huán)境作用下裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件抗壓強度

圖2 不同水溫環(huán)境作用下裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件壓縮破壞勁度模量

由圖1 和圖2 可以發(fā)現(xiàn)，水溫環(huán)境因素對瀝青裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件的抗壓性能影響非常明顯。各試件的抗壓強度與壓縮破壞勁度模量均隨水溫的升高而降低，環(huán)氧樹脂裂縫修補組合結(jié)構(gòu)的抗壓性能下降幅度較大，而EA/PU IPN 修補組合結(jié)構(gòu)的抗壓性能下降趨勢與基準試件較為接近。在各水溫環(huán)境下，環(huán)氧樹脂裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件的抗壓性能均要優(yōu)于基準試件和EA/PU IPN 修補組合結(jié)構(gòu)試件。

對比同種修補材料下不同裂縫形態(tài)試件的抗壓性能可以發(fā)現(xiàn)，EP-H 與EP-V 在各溫度下的抗壓強度與壓縮破壞勁度模量相差較大，而兩種EA/PU IPN 修補組合結(jié)構(gòu)試件的性能則較為相近，這是因為在進行裂縫修補時，EA/PU IPN 修補材料的流動性要優(yōu)于環(huán)氧樹脂膠，其能滲入V 型裂縫的底端填補細小的空隙，使得整個裂縫與修補材料之間黏結(jié)更為充分，而針對環(huán)氧樹脂膠流動性差的問題，可以考慮添加適量稀釋劑，改善其流動性能。

2.2 損傷度分析

本文引入損傷度來描述不同水溫作用下裂縫修補組合結(jié)構(gòu)抗壓性能的變化規(guī)律，其公式如下。

式中：In——在n℃水溫條件下試件的抗壓強度或壓縮破壞勁度模量；I30——試件的抗壓強度和壓縮破壞勁度模量初始值，初始水溫為30℃。

基于圖1 和圖2 的數(shù)據(jù)，分別計算出各水溫環(huán)境作用下各試件的抗壓強度損傷度和壓縮破壞勁度模量損傷度曲線，見圖3、圖4。

圖3 不同水溫環(huán)境作用下裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件抗壓強度損傷度

由圖3、圖4 可知，隨著水溫的升高，各試件的抗壓強度損傷度與壓縮勁度模量損傷度均呈上升趨勢。當水溫在40℃時，基準試件的抗壓強度和壓縮破壞勁度模量損傷度最大；當水溫由40℃上升至50℃時，基準試件和兩種環(huán)氧樹脂膠修補組合結(jié)構(gòu)試件的抗壓性能損傷度增長趨勢較為平緩，而EA/PUIPN 裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件的損傷度增長幅度最大；當水溫達到60℃，各裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件損傷度均已超過基準試件，其中EA-V 試件的損傷度最大，其抗壓強度損傷度高達62.67%，壓縮破壞勁度模量損傷度為68.4%。

圖4 不同水溫環(huán)境作用下裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件壓縮破壞勁度模量損傷度

2.3 損傷度預(yù)測模型

本文擬以水環(huán)境溫度為自變量，以試件的抗壓強度損傷度為因變量建立Logistic 損傷度預(yù)測模型，計算公式如下。

式中：D——抗壓強度損傷度；t——模擬環(huán)境水溫；a、b、t、ρ——待估參數(shù)，其中a——回歸曲線初值；b——回歸曲線終值。

基于圖1 和圖2 的試驗結(jié)果，并結(jié)合式（1），建立不同水溫環(huán)境下裂縫修補組合結(jié)構(gòu)抗壓強度損傷度預(yù)測模型，各試件的擬合公式見表2，其擬合曲線見圖5和圖6。

圖5 垂直裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件抗壓強度損傷度Logistic 擬合圖

圖6 V 型裂縫修補組合結(jié)構(gòu)抗壓強度損傷度Logistic 擬合圖

表2 不同水溫環(huán)境下裂縫修補組合結(jié)構(gòu)抗壓強度損傷度預(yù)測模型

由表2 可知，各裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件在不同水溫環(huán)境作用下，Logistic 模型的擬合曲線與各試件的抗壓強度實測曲線基本一致，四條擬合曲線的R2 均在0.97 以上。

3 結(jié)語

（1）水溫環(huán)境對裂縫修補組合結(jié)構(gòu)的抗壓性能影響較大，各裂縫修補組合結(jié)構(gòu)試件的抗壓強度與壓縮破壞勁度模量均隨水溫的升高而降低。

（2）基準試件與四種裂縫修補組合結(jié)構(gòu)的抗壓性能損傷度均隨水溫的升高而上升，其中EA/PUIPN 修補組合結(jié)構(gòu)試件的性能損傷度增長幅度最大。

（3）Logistic 模型能準確地反映出各裂縫修補組合結(jié)構(gòu)在受不同水溫環(huán)境影響中的抗壓強度的損傷度規(guī)律。