斷裂模式對(duì)瀝青混凝土低溫開(kāi)裂特性的影響規(guī)律

陳海偉，王漢臣，師郡，任皎龍

(山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

溫度對(duì)瀝青混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)均產(chǎn)生影響，當(dāng)溫度處于零度以下時(shí)，瀝青混凝土呈脆性或準(zhǔn)脆性，極易開(kāi)裂。因?yàn)樾迯?fù)開(kāi)裂瀝青路面或新的瀝青混凝土層昂貴且耗時(shí)，所以有必要研究瀝青路面的開(kāi)裂機(jī)制以減緩整個(gè)瀝青加鋪層的裂縫發(fā)展。已有學(xué)者通過(guò)在零攝氏度以下對(duì)瀝青材料施加應(yīng)力強(qiáng)度因子研究了熱拌瀝青(HMA)混合物的斷裂行為[1]。影響瀝青路面開(kāi)裂的因素有很多，如溫度波動(dòng)和車(chē)輪引起的交通荷載[2]。溫度波動(dòng)引起的裂紋往往產(chǎn)生于道路橫向，其起裂幾乎只與純I型(拉伸型)裂紋擴(kuò)展機(jī)制有關(guān)。文獻(xiàn)[3]對(duì)自頂向下裂紋的研究表明，車(chē)輪傳遞的交通荷載可以使裂紋的擴(kuò)展機(jī)制由純I型向混合Ⅰ/Ⅱ型(拉伸和剪切模式)擴(kuò)展；文獻(xiàn)[4]的研究表明，反射裂紋中裂紋擴(kuò)展也發(fā)生在模式Ⅰ和模式Ⅱ加載的組合下。以往對(duì)開(kāi)裂瀝青混凝土的試驗(yàn)研究大多集中在純Ⅰ型裂紋擴(kuò)展，對(duì)Ⅰ/Ⅱ混合型和純Il型加載模式的研究非常有限[5]，如文獻(xiàn)[6]使用LEFM研究了同一溫度下瀝青混凝土在Ⅰ型和Ⅱ型混合加載模式下的斷裂行為。因此，開(kāi)展一系列試驗(yàn)來(lái)研究瀝青混凝土在純Ⅰ型、純Ⅱ型和混合Ⅰ/Ⅱ型荷載作用下的斷裂行為是很有意義的。

本文主要研究靜荷載條件下，環(huán)境溫度和加載方式對(duì)熱拌瀝青混凝土抗斷裂性能的影響。在不同荷載和溫度條件下，對(duì)改進(jìn)后的SCB試件進(jìn)行斷裂試驗(yàn)，以期研究瀝青混凝土在不同加載模式和溫度下的抗裂性和裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)材料的選擇

1.1 試驗(yàn)方法的選擇

SCB試驗(yàn)具有操作方便、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)[7-9]，因此本文對(duì)瀝青混凝土的試驗(yàn)研究采用SCB試驗(yàn)方法，試驗(yàn)加載模式如圖1所示，SCB試件各幾何參數(shù)的物理意義見(jiàn)表1。

圖1 SCB試件的加載模式

表1 SCB試件幾何參數(shù)的物理意義

1.2 SCB試驗(yàn)加載模式的確定

本次試驗(yàn)通過(guò)減小Me來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的斷裂加載模式：Me=1為純張拉(Ⅰ型)加載模式；Me=0為純剪切(Ⅱ型)加載模式；0

(1)

式中：KⅠ為純Ⅰ型應(yīng)力強(qiáng)度因子；KⅡ?yàn)榧儮蛐蛻?yīng)力強(qiáng)度因子。KⅠ、KⅡ計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

式中：YⅠ為純Ⅰ型的幾何因子；YⅡ?yàn)榧儮蛐偷膸缀我蜃印?/p>

通過(guò)查閱資料可知[10]，當(dāng)40 mm≤tc≤50 mm時(shí)，SCB試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性較高，同時(shí)考慮到其他相關(guān)因素的影響，本文選用tc=50 mm,R=75 mm,a=25 mm,S1=30 mm,S2分別為45 mm、30 mm、20 mm、12 mm、6 mm。通過(guò)計(jì)算得到的SCB試件幾何參數(shù)為：S1/R=0.4、S2/R=0.6(0.4、0.267、0.16、0.08)，通過(guò)分析試驗(yàn)幾何參數(shù)與幾何因子的關(guān)系[11]，可得到試件的幾何因子，從而計(jì)算SCB試件的混合參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 SCB試件的幾何參數(shù)和幾何因子

1.3 材料組成設(shè)計(jì)

1.3.1 原材料

根據(jù)瀝青混合料路用性能[12]，本試驗(yàn)采用A級(jí)中海70#瀝青，瀝青結(jié)合料和各級(jí)集料(粗集料、細(xì)集料、礦粉)的技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。

1.3.2 礦料級(jí)配

本文采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(superpave gyration compactor, SGC)制備試件，以AC-16混合料為研究對(duì)象，其級(jí)配曲線(xiàn)如圖2所示。

2 室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

SCB試件斷裂效果圖如圖3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖3 SCB試件斷裂效果圖

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 加載模式和溫度對(duì)瀝青混凝土抗裂性的影響

斷裂韌度隨溫度和加載模式的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可得到如下結(jié)論：

圖4 斷裂韌度

1)瀝青混凝土的抗斷裂性在從純Ⅰ型向純Ⅱ型模式轉(zhuǎn)變過(guò)程中(即減小Me)，總是呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。通過(guò)圖像可以看出，在不同溫度條件下，只要在裂縫尖端加入輕微的剪切變形(即Me=0.8)，瀝青混凝土的抗斷裂性就會(huì)顯著降低，使得斷裂韌度在該加載條件下出現(xiàn)最小值。試驗(yàn)結(jié)果表明，在裂紋尖端施加剪切荷載可以顯著降低瀝青混凝土的斷裂韌度，尤其是Me=0.8時(shí)。

表3 SCB 試驗(yàn)結(jié)果

2)在不同加載模式下，通過(guò)分析對(duì)比瀝青混凝土的抗斷裂性發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，瀝青混凝土的斷裂韌度不斷降低，且瀝青混凝土的這一特性不隨加載模式的變化而變化。值得注意的是，無(wú)論加載模式是純Ⅰ型、純Ⅱ型還是混合Ⅰ/Ⅱ型，當(dāng)溫度為-15 ℃和-5 ℃時(shí)，瀝青混凝土的斷裂韌度相差較大，而當(dāng)溫度為0 ℃和10 ℃時(shí)，瀝青混凝土的斷裂韌度相差較小。由此可知，在低溫條件下，溫度是影響瀝青混凝土抗斷裂性能的主要因素。

3)在純剪切荷載和純張拉荷載加載條件下，通過(guò)比較瀝青混凝土的斷裂韌度可以發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下瀝青混凝土在純Ⅱ型加載模式下的抗裂能力要高于純Ⅰ型加載模式下的抗裂能力。

4)在-15 ℃、-5 ℃、0 ℃和10 ℃的溫度條件下，通過(guò)計(jì)算比較3種混合加載模式下的斷裂韌度(混合型0.8、混合型0.5、混合型0.2)與I(II)型斷裂模式下的斷裂韌度的平均比例發(fā)現(xiàn)：相比于純Ⅰ型和純Ⅱ型，瀝青混凝土在混合加載模式下出現(xiàn)裂縫的幾率更大。特別是當(dāng)Me=0.8時(shí)，混合型0.8的斷裂韌度與I(II)型斷裂模式的斷裂韌度的平均比例最大，說(shuō)明此時(shí)瀝青混凝土的抗斷裂性最差，最容易出現(xiàn)裂縫。因此，采用混合加載模式下的斷裂韌度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混凝土的抗裂性能夠更好地保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2.2 加載模式和溫度對(duì)瀝青混凝土裂紋擴(kuò)展規(guī)律的影響

在集料、砂漿和集料-砂漿界面，裂縫長(zhǎng)度受溫度和加載模式的影響如圖5—圖7所示。由圖5—圖7可得到如下結(jié)論：

圖5 集料中的裂縫長(zhǎng)度

圖6 砂漿中的裂縫長(zhǎng)度

圖7 集料-砂漿界面中的裂縫長(zhǎng)度

1)通過(guò)觀察SCB試件在不同溫度和加載模式下的斷裂形態(tài)發(fā)現(xiàn)：對(duì)于純I型斷裂試驗(yàn)，裂紋擴(kuò)展路徑幾乎是沿預(yù)裂線(xiàn)的直線(xiàn)擴(kuò)展，而對(duì)于混合I/Ⅱ和純Ⅱ型斷裂試驗(yàn)，裂紋擴(kuò)展路徑是曲線(xiàn)擴(kuò)展；裂紋擴(kuò)展與預(yù)設(shè)裂縫成一定角度，隨著剪切荷載占比的增加(或Me的減小)，角度增大。

2)在同一加載模式下，當(dāng)溫度高于-5 ℃時(shí)，隨著溫度的逐漸升高，集料中的裂縫長(zhǎng)度逐漸縮短，砂漿中和集料-砂漿界面中的裂縫長(zhǎng)度逐漸變長(zhǎng)，特別是當(dāng)溫度由-5 ℃升高到10 ℃時(shí)，這種變化尤為明顯。由此可以表明，裂縫在集料、砂漿和集料-砂漿界面的長(zhǎng)度變化受溫度影響并且這種影響與材料的特性有關(guān)。

3)當(dāng)溫度為-15 ℃、-5 ℃時(shí)，裂縫在集料、砂漿、集料-砂漿界面的長(zhǎng)度近乎相等；當(dāng)溫度為0 ℃時(shí)，砂漿、集料-砂漿界面中的裂縫長(zhǎng)度增長(zhǎng)，集料中的裂縫長(zhǎng)度縮短；當(dāng)溫度為10 ℃時(shí)，裂縫主要出現(xiàn)在砂漿、集料-砂漿界面。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度高于-5 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，裂縫在集料中、砂漿中和集料-砂漿界面中的長(zhǎng)度分布出現(xiàn)明顯變化，裂縫逐漸向砂漿中和集料-砂漿界面中集中。

4)瀝青混凝土從純Ⅰ型向純Ⅱ型轉(zhuǎn)變(即減小Me)過(guò)程中，溫度為-15 ℃、-5 ℃時(shí)，裂縫在集料、砂漿和集料-砂漿界面的長(zhǎng)度變化無(wú)明顯規(guī)律；溫度為0 ℃、10 ℃時(shí)，裂縫在集料中、砂漿中和集料-砂漿界面中的長(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng)，特別是在砂漿和集料-砂漿界面的變化尤為明顯。由此可以表明，當(dāng)溫度不低于0 ℃時(shí)，瀝青混凝土抵抗純剪切荷載的能力較弱，抵抗純拉伸荷載的能力較強(qiáng)。

5)在I/II型混合加載模式下，混合型0.8在集料中產(chǎn)生的裂縫長(zhǎng)度最長(zhǎng)，在砂漿中和集料-砂漿界面中產(chǎn)生的裂縫長(zhǎng)度最短；混合型0.2在集料中產(chǎn)生的裂縫長(zhǎng)度最短，在砂漿中和集料-砂漿界面中產(chǎn)生的裂縫長(zhǎng)度最長(zhǎng)；混合型0.5在集料中、砂漿中和集料-砂漿界面中產(chǎn)生的裂縫長(zhǎng)度始終居中。也就是說(shuō)，隨著剪切荷載占比的增加，集料中的裂縫長(zhǎng)度逐漸縮短，砂漿中和集料-砂漿界面中的裂縫長(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng)。由此可以表明，瀝青混凝土內(nèi)各材料特性存在差異，集料抵抗張拉荷載的能力較弱，砂漿抵抗剪切荷載的能力較弱，因此可以根據(jù)瀝青混凝土組成材料的不同特性來(lái)研究新型的改性瀝青。

3 結(jié)論

本文采用改進(jìn)的含不對(duì)稱(chēng)垂直邊緣裂縫的SCB試件對(duì)不同加載模式(Me=1、0.8、0.5、0.2和0)和不同溫度(-15 ℃、-5 ℃、0 ℃和10 ℃)的瀝青混凝土試件進(jìn)行了斷裂試驗(yàn)，以此評(píng)價(jià)瀝青混凝土的斷裂特性，結(jié)論如下：

1)對(duì)于純I型斷裂試驗(yàn)，裂紋擴(kuò)展路徑幾乎是沿預(yù)裂線(xiàn)的直線(xiàn)擴(kuò)展；而對(duì)于混合I/ll型和純Il型斷裂試驗(yàn)，裂紋擴(kuò)展路徑是曲線(xiàn)擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展與預(yù)設(shè)裂縫成一定角度，隨著剪切荷載占比的增加(或Me的減小)，角度增大。

2)瀝青混凝土的抗斷裂性在從純Ⅰ型向純Ⅱ型轉(zhuǎn)變過(guò)程中(即減小Me)，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。特別是當(dāng)Me=0.8時(shí)，混合型0.8的斷裂韌度與I(II)型斷裂模式的斷裂韌度的平均比例最大，瀝青混凝土的抗斷裂性最差，最容易出現(xiàn)裂縫。因此，應(yīng)該采用混合加載模式下的斷裂韌度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混凝土的抗裂性能，以保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3)裂縫在集料、砂漿和集料-砂漿界面的長(zhǎng)度變化受溫度影響，當(dāng)溫度高于-5 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，裂縫在集料、砂漿和集料-砂漿界面中的長(zhǎng)度分布出現(xiàn)明顯變化，裂縫逐漸向砂漿和集料-砂漿界面集中。

4)通過(guò)分析3種混合型(混合型0.8、混合型0.5和混合型0.2)在集料、砂漿和集料-砂漿界面中裂縫長(zhǎng)度的變化發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土內(nèi)各材料特性存在差異：集料抵抗張拉荷載的能力較弱，砂漿抵抗剪切荷載的能力較弱，因此可以根據(jù)瀝青混凝土組成材料的不同特性來(lái)研究新型的改性瀝青。