張倩倩，吳德芬， 何文，包鑫，魏亞(.清華大學(xué) 土木工程系，北京，00084；.云南省曲陸高速公路開發(fā)有限公司，云南 曲靖，655000)

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接縫修補(bǔ)材料對復(fù)合式路面 AC 層抵抗反射裂縫的試驗(yàn)研究

張倩倩1，吳德芬2， 何文2，包鑫2，魏亞1
(1.清華大學(xué) 土木工程系，北京，100084；2.云南省曲陸高速公路開發(fā)有限公司，云南 曲靖，655000)

摘要：通過小梁加載試驗(yàn)研究不同修補(bǔ)策略對舊水泥混凝土路面破損接縫處瀝青混凝土加鋪層(AC)抵抗反射裂縫的有效性。采用3種修補(bǔ)材料即普通水泥混凝土(CC)、纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)和 ECC 加設(shè)傳力桿(ECC-dowel)，通過三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)及微觀形貌觀察，分析不同復(fù)合梁的裂紋發(fā)展形式及抗變形能力。研究結(jié)果表明：CC，ECC和ECC-dowel修補(bǔ)材料的裂紋發(fā)展形式存在明顯不同；ECC應(yīng)變硬化、多點(diǎn)開裂的延性特征可有效防止 AC 層反射裂縫的產(chǎn)生；ECC 與 ECC-dowel復(fù)合梁的斷裂模量、斷裂能等無顯著差異，說明 ECC 基體內(nèi)纖維的橋接作用是復(fù)合梁抗變形能力的關(guān)鍵性因素，傳力桿貢獻(xiàn)不大。

關(guān)鍵詞：復(fù)合梁；接縫修補(bǔ)；纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料；瀝青混凝土加鋪層；反射裂縫

舊水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土罩面層后構(gòu)成復(fù)合式路面，可改善原水泥混凝土路面的使用性能，提高路面行駛的舒適性，同時(shí)又能充分利用舊水泥混凝土路面的剩余強(qiáng)度，且對交通及環(huán)境影響較小。由于舊水泥混凝土板存在較多的破損接縫，在溫度應(yīng)力和行車荷載作用下，在使用的短時(shí)期內(nèi)，AC(asphaltConcrete)層在水泥混凝土板破損接縫的對應(yīng)位置處易形成反射裂縫。在環(huán)境因素和行車荷載反復(fù)作用下，裂縫迅速向四周擴(kuò)展，水分通過裂縫滲入基層，在行車荷載反復(fù)作用下對基層材料造成破壞，引起沉陷、翻漿、唧泥等病害[1?2]。因此，加鋪AC層前，需對原水泥混凝土路面破損接縫進(jìn)行修補(bǔ)。ECC(engineeredCementitiousComposite)是一種基于細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì)的具有超強(qiáng)韌性的亂向分布短纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其以水泥、礦物摻合料以及石英砂作為基體，用纖維作增強(qiáng)材料。ECC在受拉荷載作用下因纖維的橋接作用表現(xiàn)出多點(diǎn)開裂、應(yīng)變硬化的高延性特征[3?5]。本研究通過三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，對比分析3種修補(bǔ)材料復(fù)合梁的裂紋發(fā)展形式、抗變形能力及斷裂能，評估修補(bǔ)材料用于抵抗 AC 層反射裂縫的有效性。研究所用3種裂縫修補(bǔ)材料分別為普通水泥混凝土(cementConcrete，CC)，ECC以及ECC加設(shè)傳力桿(ECC-dowel)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1材料

普通水泥混凝土采用基準(zhǔn)水泥，比表面積為350m2/kg；ECC 所用水泥為低縮復(fù)合性水泥[6]；試驗(yàn)所用瀝青為改性瀝青。細(xì)骨料分3種：普通水泥混凝土采用最大粒徑為 5mm 的河砂，瀝青混凝土采用最大粒徑為 5mm 的機(jī)制砂，ECC 采用粒徑為0.075～0.150 mm 的石英砂；粗骨料為最大粒徑為10mm的破碎石灰石；瀝青混凝土采用礦粉作為填料；纖維為日本Kuraray公司生產(chǎn)的聚乙烯醇纖維(PVA纖維)，其性能如下：密度為1.2 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為1.620 GPa，彈性模量為42.8 GPa，直徑為0.039 mm，長度為12 mm。傳力桿采用直徑為5mm的光圓鋼筋。

1.2試件制備與試驗(yàn)方法

復(fù)合梁整體長×寬×高為100mm×100mm× 300mm，其成型分為3步，如圖1所示。

1)成型U型梁，U型梁采用普通水泥混凝土，其配合比及相關(guān)力學(xué)性能如下：水灰比為0.4；水泥、 水、砂、石子密度分別為488，195，689和1034 kg/m3；抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為5.6和61.2 MPa。U型梁為分離式，縫寬為1mm，其成型采取“倒立 U型”澆筑方法：預(yù)先將與 U 型梁凹槽長×寬×高(150 mm×100 mm×35mm)相同的不銹鋼實(shí)心體置于模具(模具尺寸與組合梁整體尺寸相同)中間，實(shí)心體的中部預(yù)留有1mm寬的縫，用于插放不銹鋼片(鋼片厚度為1mm，長×寬為100mm×100mm)。

2)澆筑水泥混凝土，澆筑后的混凝土在模具中成“倒立 U型”。對于設(shè)傳力桿的 U形梁，需預(yù)先在實(shí)心體的每個(gè)側(cè)面鉆孔加設(shè)傳力桿，傳力桿長度為80mm，其中外露長度為 40mm。U 型梁拆模即為分離式，將其放至標(biāo)養(yǎng)間(溫度為(20±2)℃，相對濕度為90%以上)養(yǎng)護(hù) 7d，然后置于模具底部，在凹槽的底面及2個(gè)側(cè)面進(jìn)行密集鉆眼刻槽，分別澆筑CC和ECC修補(bǔ)材料。ECC的配合比及力學(xué)性能如下：膠凝材料、水、砂質(zhì)量比為1.00:0.25:0.30；纖維摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為1.7%；抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為9.4 MPa和62.8 MPa。為防止U型梁的預(yù)裂縫被堵塞，澆筑前在預(yù)裂縫處插入1mm厚的鋼片，待抗彎試驗(yàn)前取出。

3)澆筑完成后將模具及試件整體放置標(biāo)養(yǎng)間養(yǎng)護(hù)至28d，在U型梁與修補(bǔ)層構(gòu)成的組合梁表面刻槽并鋪筑密級配瀝青混凝土，其配比如下：石料、砂、礦粉質(zhì)量比為63:34:3；瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.4%。

圖1　組合梁尺寸Fig .1Dimension ofComposite beam

復(fù)合梁成型完成后，在 TONINORM2000 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，加載跨距為280mm。采用線性位移傳感器(LVDT)測定撓度，并控制加載速度為0.1mm/min，裂紋口張開位移(CMOD)由引伸計(jì)測定，加載示意圖如圖2所示。采用普通光學(xué)顯微鏡及QUANTA 200F 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察ECC受拉后的微觀形貌。

圖2三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)加載示意圖Fig.2Illustration of three-point-bending test

圖3　不同接縫修補(bǔ)材料的復(fù)合梁結(jié)構(gòu)荷載-CMOD曲線Fig.3　Load-versus-CMOD plot of differentComposite beams

圖42種修補(bǔ)材料開裂狀態(tài)的光學(xué)顯微圖像Fig.4Optical microscopic images ofCracking forCC and ECC

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1裂紋發(fā)展分析

對3種復(fù)合梁的荷載-CMOD(corack mouth opening displacement)曲線及裂紋發(fā)展過程進(jìn)行對比，如圖 3所示。圖中，“CC”，“ECC”及“ECC-dowel”分別表示裂縫修補(bǔ)材料為CC，ECC及ECC加設(shè)傳力桿的合梁結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中每組試件為2根，對于CC 復(fù)合梁，其中1根在加載早期即發(fā)生斷裂損壞。由圖3可知：2 種ECC復(fù)合梁的裂紋發(fā)展形式與CC復(fù)合梁的裂紋發(fā)展形式明顯不同；CC 復(fù)合梁開裂后裂紋迅速擴(kuò)展，呈現(xiàn)明顯脆性斷裂特征，與峰值荷載(約 2.5kN)相對應(yīng)的裂紋寬度僅為0.06mm左右；2種ECC復(fù)合梁開裂后呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特點(diǎn)，承載力隨裂紋寬度增加而增大，荷載達(dá)到峰值后緩慢下降，呈明顯的延性破壞特征，較普通混凝土大幅度提高。

2種修補(bǔ)材料開裂狀態(tài)的光學(xué)顯微圖像見圖 4，3種復(fù)合梁的最終破壞狀態(tài)見圖5。3 種修補(bǔ)材料均以水泥為膠凝材料，其初始裂紋的產(chǎn)生機(jī)理一致：在荷載作用下，膠凝材料達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度即發(fā)生開裂；但裂紋隨后的發(fā)展形式以及最終狀態(tài)有顯著差異。普通混凝土受到荷載作用時(shí)產(chǎn)生脆性裂紋，如圖4(a)所示，其迅速發(fā)展為1條主裂紋。主裂紋在切口上方延伸至瀝青層，結(jié)構(gòu)最終破壞，如圖 5(a)所示。初始裂紋產(chǎn)生后，2種ECC修補(bǔ)層表面逐漸出現(xiàn)多重細(xì)微裂紋，這些微裂紋之間由纖維橋接(圖 4(b)所示)，呈不規(guī)則方向發(fā)展。繼續(xù)加載時(shí)，在修補(bǔ)層與水泥混凝土基底層的界面裂縫處形成扭結(jié)裂紋并逐漸擴(kuò)展為1條主裂紋，其與多重細(xì)微裂紋共同存在并緩慢發(fā)展至結(jié)構(gòu)最終失效，如圖5(b)和5(c)所示。由于ECC材料具有較大的承載能力，這個(gè)過程與CC 復(fù)合梁相比發(fā)展相當(dāng)緩慢。由此可以推斷：ECC修補(bǔ)材料可以有效防止復(fù)合梁的突然破壞，并避免在接縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖6所示為采用 3種材料修補(bǔ)破損接縫后，復(fù)合式路面在行車荷載作用下的裂紋發(fā)展示意圖。在行車荷載作用下，CC 修補(bǔ)材料產(chǎn)生脆性開裂，極易導(dǎo)致AC 層發(fā)生反射裂縫。ECC 材料的多裂紋發(fā)展形式使修補(bǔ)層在受拉過程中因纖維的橋接作用應(yīng)力重新分布[7?9]，避免了應(yīng)力集中，這樣，整個(gè)AC層一直處于截面受壓狀態(tài)，避免了反射裂縫的產(chǎn)生。

圖5　3種復(fù)合梁的最終破壞狀態(tài)Fig.5　Final failure modes of three types ofComposite beams

圖6　車輛荷載作用下復(fù)合式路面的裂紋發(fā)展示意圖Fig.6　Crack development ofComposite pavements under vehicle loads

2.2彎曲性能

采用斷裂模量(MOR)[10]及對應(yīng)撓度評估3種復(fù)合梁抵抗變形的能力。圖7所示為3種復(fù)合梁的荷載?撓度曲線。斷裂模量為試件在最大荷載處的彎曲應(yīng)力，其計(jì)算式為

式中：Pmax為試件施加的最大荷載，N；L為加載跨距，mm；b為試件厚度，mm；h為修補(bǔ)層高度，mm。由于 AC 層的彈性模量(約 800 MPa)相對于水泥混凝土(彈性模量約為35 GPa)小很多，在施加荷載時(shí)基本不受力，故在計(jì)算斷裂模量時(shí)予以忽略；U 型混凝土梁因存在切口，也不承受荷載。

3種復(fù)合梁的斷裂模量及對應(yīng)撓度見圖 8。由圖8(a)可以看出：CC復(fù)合梁的斷裂模量為8.0 MPa；ECC 和 ECC-dowel 復(fù)合梁的斷裂模量平均值分別約為12.7 MPa和11.9 MPa。這2種ECC復(fù)合梁的斷裂模量與CC 復(fù)合梁的斷裂模量相比增加了約 50%，其抗彎能力顯著提高。圖 8(b)所示為復(fù)合梁對應(yīng)斷裂模量處的撓度，CC，ECC 和 ECC-dowel 這3種復(fù)合梁的撓度均值分別為1.11，3.79 和 3.65mm。斷裂模量對應(yīng)的撓度表征了材料的延性特征，ECC復(fù)合梁顯示出良好延性，表明其作為接縫修補(bǔ)材料的可行性。另外，ECC和ECC-dowel這2種復(fù)合梁的斷裂模量及對應(yīng)撓度差別不大，說明ECC基體內(nèi)纖維的橋接作用是提高復(fù)合梁抗變形能力的關(guān)鍵性因素，傳力桿無突出貢獻(xiàn)。

圖7　不同接縫修補(bǔ)材料的復(fù)合梁結(jié)構(gòu)荷載?撓度曲線Fig.7　Load?deflectionCurves of differentComposite beams

2.3斷裂能

斷裂能Gf是體現(xiàn)材料性能的重要參數(shù)，其定義為形成斷裂區(qū)單位面積所需消耗的能量，表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力。斷裂能基于荷載?撓度曲線(見圖7)，由下式[11?12]計(jì)算得到：

圖8　3種復(fù)合梁的斷裂模量及對應(yīng)撓度Fig.8　MOR and deflection at MOR for threeComposite beams

式中：W0為荷載?撓度曲線下的面積，N?mm；Pw為梁的自重，N；δ0為梁最終破壞時(shí)加載點(diǎn)的位移，mm；a0為初始裂縫寬度，mm。圖9所示為3種復(fù)合梁的斷裂能。從圖9可以看出：2種ECC復(fù)合梁的單位面積斷裂能比CC 復(fù)合梁的單位面積斷裂能提高約10倍，以ECC作為接縫修補(bǔ)材料的復(fù)合梁結(jié)構(gòu)具有普通復(fù)合梁所無法具有的抗裂縫擴(kuò)展性能，其對防止新鋪AC層產(chǎn)生反射裂縫具有重要意義；ECC與ECC-dowel復(fù)合梁的斷裂能相似，說明傳力桿對提高復(fù)合梁抗裂縫擴(kuò)展能力貢獻(xiàn)不大。

2.4ECC開裂后微觀形貌

當(dāng)基體內(nèi)裂紋產(chǎn)生時(shí)，纖維在界面的脫黏與滑移對裂紋擴(kuò)展時(shí)的能力消耗有重要影響[13]。本文采用SEM對ECC破壞斷裂后的微觀形貌進(jìn)行觀察。圖10(a)所示為 ECC 斷裂界面的纖維分布圖像，ECC 受到破壞荷載后，PVA纖維從基體中被拔出，而不是被直接拉斷。圖10(b)所示為纖維與基體界面的過渡區(qū)微觀形貌，可以看出ECC中基體的水化產(chǎn)物緊密包裹住PVA纖維，與文獻(xiàn)[14]中鋼纖維與基體的結(jié)合情況對比，在常溫狀態(tài)下，ECC中纖維與基體的黏結(jié)更緊密。ECC受拉達(dá)到破壞荷載后，部分纖維脫離基體，由于纖維與基體的黏結(jié)特性，在纖維被拔出時(shí)產(chǎn)生較大的阻力[15]，纖維將部分水化產(chǎn)物一起帶出整個(gè)基體，如圖10(c)所示。纖維與基體良好的黏結(jié)性及纖維間的橋接作用使 ECC 具備較強(qiáng)的抵抗變形能力，ECC 受拉達(dá)到最大應(yīng)變后，仍有一定的承載能力，宏觀表現(xiàn)即為多裂紋形態(tài)。

圖9　3種復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的斷裂能Fig.9　Plot of fracture energy perarea for threeComposite beams

圖10　ECC開裂的SEM像Fig.10　SEM images ofCracking for ECC

3 結(jié)論

1)ECC與CC這2種修補(bǔ)材料的裂紋發(fā)展形式存在明顯不同：CC 復(fù)合梁在預(yù)切口的上方有1條貫穿CC 修補(bǔ)層及延伸至 AC 層的裂紋；由于 ECC 材料具有應(yīng)變硬化、多點(diǎn)開裂的延性特征，在加載過程中，2 種 ECC 復(fù)合梁在修補(bǔ)層與水泥混凝土基底層的界面裂縫處形成扭結(jié)裂紋并逐漸擴(kuò)展為1條主裂紋，其與多重細(xì)微裂紋共同存在并緩慢發(fā)展至結(jié)構(gòu)最終失效。

2)2種ECC復(fù)合梁的斷裂模量及對應(yīng)撓度、斷裂能與CC 復(fù)合梁的相比顯著提高，ECC材料良好的抗變形能力可有效防止AC層反射裂縫產(chǎn)生。

3)ECC 與 ECC-dowel 復(fù)合梁的斷裂模量及對應(yīng)撓度、斷裂能等差別不大，說明ECC基體內(nèi)纖維的橋接作用對復(fù)合梁的抗變形能力起決定作用，傳力桿貢獻(xiàn)不大。

4)ECC受到破壞荷載后，PVA纖維從基體中被拔出，而不是被直接拉斷；由于纖維與基體的黏結(jié)特性，纖維被拔出時(shí)將部分水化產(chǎn)物一起帶出整個(gè)基體，纖維與基體良好的黏結(jié)性及纖維間的橋接作用進(jìn)一步證明了ECC具備較強(qiáng)的抵抗變形能力。

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(編輯 陳燦華)

Experimental research on reflection-crack resistance ofComposite pavement with different joint repair materials

ZHANG Qianqian1,WU Defen2,HE Wen2, BAO Xin2, WEI Ya1
(1.Department ofCivil Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China? 2.Yunnan Qulu Highway DevelopmentCo.Ltd.,Qujing 655000,China)

Abstract:Different joint restore strategies of the oldCementConcrete pavement were investigated to validate the availability on the reflection-crack resistance in the asphaltConcrete(AC)layer through beam tests.In this research,three repaired materials,i.e.cementConcrete(CC),engineeredCementitiousComposite(ECC)and ECC-dowelCombination were used.TheCrack development and flexural performance of the differentComposite beams were investigated by three-point-bending test and SEM.The results show that there are obvious differences in the development of theCracks between ECC andCCComposite beams.ECCCan effectively prevent the reflectionCrack due to its ductilityCharacteristics as strain hardening and multipointCracking.Bridging between the fibers in ECC matrix isCrucial for the flexural performance ofComposite beam while dowel barContributionCan be neglected.

Key words:Composite beam? joint repair? engineeredCementitiousComposite materials? asphaltConcrete(AC)layer? reflectionCrack

中圖分類號：TU528.572

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0136?07

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.020

收稿日期：2015?01?10；修回日期：2015?03?25

基金項(xiàng)目(Foundation item)：云南省交通廳科技項(xiàng)目(2013(C)02)(Project(2013(C)02)supported by the Foundation of Science and Technology ofCommunications Department of Yunnan Province)

通信作者：魏亞，副教授，博士生導(dǎo)師，從事結(jié)構(gòu)材料與道路工程研究；E-mail: yawei@tsinghua.edu.cn