水溫環境作用下瀝青裂縫修補組合結構抗壓性能研究

左中和，楊 雁

（中南林業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點，在我國公路基礎工程建設中受到廣泛應用。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境的作用下，極易產生不同形態的裂縫[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構的形式繼續工作。水溫環境會加速瀝青混凝土路面老化[2-3]，裂縫修補組合結構存在修補材料與瀝青混凝土之間的界面過渡區，其受水-熱耦合作用下極易產生二次破壞。因此，探明不同水溫環境作用下瀝青混凝土裂縫修補組合結構的性能衰變規律，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。

本試驗選用環氧樹脂膠和環氧丙烯酸酯/聚氨酯互穿聚合物網絡（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℃四種水溫環境作用，研究了不同水溫環境作用下AC 裂縫修補組合結構抗壓性能的變化規律，并建立了其Logistic 損傷預測模型。

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

環氧樹脂膠采用德意生產的E44 型環氧樹脂AB膠，環氧樹脂與固化劑的比例為1:1；EA/PU IPN 修補材料各成分質量比為環氧丙烯酸酯100%，聚氨酯50%，稀釋劑70%，引發劑5%，促進劑5%，交聯劑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，養護7d，獲得裂縫修補組合結構單軸抗壓試件，并將試件按修補材料與裂縫形態分別編號為EP-H、EP-V、EA-H、EA-V。

1.2.2 水溫環境模擬

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，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，將其放入已達設定溫度的恒溫水浴鍋中，恒溫48h，并分別設定水溫為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：將經水溫環境模擬后的基準試件和修補組合結構試件置于試驗機臺座上，上下各墊一張薄聚四氟乙烯薄膜，荷載的加載速率設定為50mm/min。為保障測試數據的準確性，每組至少備有3 個平行試件，且試件從模擬環境中取出直至破壞不得超過45s。

2 結果與分析

2.1 抗壓性能

在不同水溫環境作用下，基準試件和各裂縫修補組合結構試件的單軸壓縮測試結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 不同水溫環境作用下裂縫修補組合結構試件抗壓強度

圖2 不同水溫環境作用下裂縫修補組合結構試件壓縮破壞勁度模量

由圖1 和圖2 可以發現，水溫環境因素對瀝青裂縫修補組合結構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，環氧樹脂裂縫修補組合結構的抗壓性能下降幅度較大，而EA/PU IPN 修補組合結構的抗壓性能下降趨勢與基準試件較為接近。在各水溫環境下，環氧樹脂裂縫修補組合結構試件的抗壓性能均要優于基準試件和EA/PU IPN 修補組合結構試件。

對比同種修補材料下不同裂縫形態試件的抗壓性能可以發現，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 修補組合結構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于環氧樹脂膠，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更為充分，而針對環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構抗壓性能的變化規律，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 的數據，分別計算出各水溫環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 不同水溫環境作用下裂縫修補組合結構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，基準試件和兩種環氧樹脂膠修補組合結構試件的抗壓性能損傷度增長趨勢較為平緩，而EA/PUIPN 裂縫修補組合結構試件的損傷度增長幅度最大；當水溫達到60℃，各裂縫修補組合結構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 不同水溫環境作用下裂縫修補組合結構試件壓縮破壞勁度模量損傷度

2.3 損傷度預測模型

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

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

基于圖1 和圖2 的試驗結果，并結合式（1），建立不同水溫環境下裂縫修補組合結構抗壓強度損傷度預測模型，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構試件抗壓強度損傷度Logistic 擬合圖

圖6 V 型裂縫修補組合結構抗壓強度損傷度Logistic 擬合圖

表2 不同水溫環境下裂縫修補組合結構抗壓強度損傷度預測模型

由表2 可知，各裂縫修補組合結構試件在不同水溫環境作用下，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 結語

（1）水溫環境對裂縫修補組合結構的抗壓性能影響較大，各裂縫修補組合結構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構的抗壓性能損傷度均隨水溫的升高而上升，其中EA/PUIPN 修補組合結構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構在受不同水溫環境影響中的抗壓強度的損傷度規律。