羅少輝，李強(qiáng)

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；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(zhǎng)沙 410114)

舊水泥路面加鋪瀝青層后，接裂縫處因應(yīng)力局部效應(yīng)發(fā)生塑性變形產(chǎn)生界面滑移而形成反射裂縫。一旦新路面表面出現(xiàn)反射裂縫，水和碎屑將通過(guò)裂縫進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)，在車(chē)輛荷載作用下產(chǎn)生坑洞、麻面等病害，降低路面耐久性，縮短瀝青面層的疲勞壽命。采用合理的抗反射技術(shù)措施是舊水泥砼路面加鋪瀝青面層成敗的關(guān)鍵。高分子抗裂貼因施工簡(jiǎn)便，在工程中得到大量應(yīng)用并發(fā)揮出出色的抗裂、防水性能，但目前還沒(méi)有關(guān)于高分子抗裂貼抗裂性能的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。孫慧等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)不同寬度、拉伸速率等條件下高分子抗裂貼拉伸強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究；李汝凱等采用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M舊水泥路面加鋪實(shí)體工程，對(duì)DZFH新型道路抗裂貼防治路面反射裂縫的效果進(jìn)行了研究。該文通過(guò)改進(jìn)車(chē)轍試驗(yàn)，設(shè)計(jì)高分子抗裂貼室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治銎淇沽研阅芎土鸭y擴(kuò)展規(guī)律，檢測(cè)瀝青層層底應(yīng)變變化研究阻裂機(jī)理，建立二維擴(kuò)展有限元(XFEM)模型預(yù)估高分子抗裂貼的疲勞壽命。

1 原材料

1.1 瀝青混合料

采用SBS改性瀝青；集料采用石灰?guī)r，其級(jí)配見(jiàn)表1；瀝青混合料類(lèi)型為AC-13C，油石比為4.9%，其技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

表1 瀝青混合料的集料級(jí)配

1.2 高分子抗裂貼

高分子抗裂貼是由瀝青基聚合物、胎基、高強(qiáng)度耐高溫織物、隔離膜等經(jīng)擠壓形成的帶狀、具有自黏性的層間防裂、防水復(fù)合材料，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 抗裂貼的技術(shù)性能指標(biāo)

2 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

室內(nèi)模型結(jié)構(gòu)采用普通灌縫、高分子抗裂貼2種處治方式。通過(guò)試驗(yàn)支承方式對(duì)比發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)支支承可呈現(xiàn)典型的裂紋破壞形式，故模型采用簡(jiǎn)支支承(見(jiàn)圖1)。

圖1 簡(jiǎn)支支承條件下抗裂處治措施結(jié)構(gòu)模型(單位：cm)

將滿足要求的AC-13C試件黏結(jié)制成路面結(jié)構(gòu)模型，制作步驟：1)將麻石切割加工成30 cm×30 cm×4 cm試塊，并在中間切縫模擬2塊水泥砼路面間的接裂縫；2)采用高分子抗裂貼對(duì)試件接裂縫進(jìn)行抗裂處理；3)為得到行車(chē)方向上力學(xué)響應(yīng)，將瀝青車(chē)轍試件表面清理干凈，然后在中心位置、離邊緣2 cm處粘貼3個(gè)應(yīng)變片(見(jiàn)圖2)，粘貼位置用無(wú)水乙醇涂抹清洗并用電吹風(fēng)烘干；4)麻石試件涂抹SBS改性石油瀝青黏層油，將其瀝青車(chē)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)裂處側(cè)面用白色涂料抹平坑槽縫隙以便觀察裂縫發(fā)展。

圖2 車(chē)轍試件板底應(yīng)變片粘貼位置(單位：cm)

將成型試件、墊塊及試模安裝固定在漢堡車(chē)轍儀的試驗(yàn)臺(tái)上，車(chē)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(jiàn)圖3)。

圖3 試件結(jié)構(gòu)裝配示意圖

3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗裂性能分析

疲勞壽命是評(píng)價(jià)抗裂處治措施抗裂性能最直觀的指標(biāo)。通過(guò)疲勞試驗(yàn)獲得高分子抗裂貼及普通灌縫處治后結(jié)構(gòu)疲勞壽命，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 簡(jiǎn)支支承條件下不同抗裂措施的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出：1)同一處治措施下不同試件的疲勞壽命存在差異，但在誤差范圍內(nèi)。2)經(jīng)高分子抗裂貼處治后加鋪結(jié)構(gòu)的疲勞壽命得到很大提升，但高分子抗裂貼對(duì)初裂疲勞壽命的影響較小，達(dá)到初裂時(shí)輪載作用次數(shù)平均值與普通灌縫相差不大，僅為2 575次；在裂紋擴(kuò)展階段，高分子抗裂貼處治結(jié)構(gòu)達(dá)到終裂時(shí)所需輪載作用次數(shù)明顯高于普通灌縫，普通灌縫只需8 429次，而高分子抗裂貼需15 599次。說(shuō)明高分子抗裂貼處治后加鋪結(jié)構(gòu)抵抗裂縫擴(kuò)展的能力優(yōu)于普通灌縫，同時(shí)高分子抗裂貼因其本身彈性變形對(duì)初裂疲勞壽命的影響較小。

3.2 力學(xué)響應(yīng)

通過(guò)檢測(cè)瀝青層層底中、左及右3個(gè)位置的應(yīng)變變化，對(duì)高分子抗裂貼處治措施下結(jié)構(gòu)力學(xué)阻裂機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出：1)高分子抗裂貼與普通灌縫處治下AC-13C層層底拉應(yīng)變變化趨勢(shì)一致，均隨著輪載作用次數(shù)的增加呈線性增長(zhǎng)，且都出現(xiàn)明顯的突變點(diǎn)即應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時(shí)AC-13C層層底在輪載作用下出現(xiàn)裂紋即初裂，與所觀測(cè)到的初裂時(shí)間點(diǎn)基本吻合；高分子抗裂貼處治結(jié)構(gòu)中應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢，且數(shù)值低于普通灌縫，可在一定程度上消散層底應(yīng)力，減弱舊路面接裂縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，延緩反射裂縫的產(chǎn)生。2)由于荷載作用在接縫處形成較大剪切力，并向兩邊逐漸減小，AC-13C層層底中部應(yīng)變明顯高于左、右應(yīng)變；由于埋設(shè)左應(yīng)變片一側(cè)無(wú)側(cè)限，左應(yīng)變高于右應(yīng)變。3)應(yīng)變變化第一階段近似呈線性增長(zhǎng)，高分子抗裂貼與普通灌縫的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率差異不大(見(jiàn)表4)，主要是由于簡(jiǎn)支支承條件下受力為剪切力，與高分子抗裂貼施工工藝及黏結(jié)強(qiáng)度有關(guān)。經(jīng)過(guò)線性變化后應(yīng)變趨于平緩再有所下降。究其原因，一是材料在經(jīng)過(guò)應(yīng)變快速增長(zhǎng)期后進(jìn)入應(yīng)變硬化階段，要繼續(xù)增大應(yīng)變需增大荷載應(yīng)力；二是由于反射裂縫貫穿整個(gè)瀝青加鋪層(終裂)，應(yīng)力在層底重新分布，造成應(yīng)變變緩。試驗(yàn)后期瀝青加鋪層已出現(xiàn)車(chē)轍、裂縫加寬，同時(shí)下層麻石板產(chǎn)生分離，導(dǎo)致車(chē)轍板層底所受彎拉作用減弱，致使應(yīng)變下降。

圖4 AC-13C層層底中、左、右位置的應(yīng)變變化

表4 不同抗裂措施下線性階段應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率

綜上，高分子抗裂貼具有優(yōu)異的抗拉伸能力與部分應(yīng)力消減作用，對(duì)中間位置應(yīng)變的消散作用大于兩側(cè)，可降低裂縫處應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而延緩開(kāi)裂后反射裂縫的擴(kuò)展。

3.3 裂紋擴(kuò)展過(guò)程

裂紋在瀝青混合料中的擴(kuò)展路徑十分復(fù)雜，并不是沿直線擴(kuò)展。擴(kuò)展有限元分析所計(jì)算的應(yīng)變能釋放率及應(yīng)力強(qiáng)度因子為裂紋擴(kuò)展豎直方向，為方便計(jì)算，取裂紋在豎向的投影長(zhǎng)度作為N(循環(huán)次數(shù))-a(裂紋長(zhǎng)度)曲線中的豎直長(zhǎng)度。對(duì)高清相機(jī)的視頻截圖，每19 min記錄一次裂紋長(zhǎng)度(輪載作用次數(shù)1 000次)，獲取試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與輪載作用次數(shù)的關(guān)系，繪制N-a關(guān)系曲線(見(jiàn)圖5)。

圖5 普通灌縫及抗裂貼處治措施下N-a曲線

從圖5可看出：在車(chē)轍疲勞試驗(yàn)條件下，高分子抗裂貼與普通灌縫處治下裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)一致；高分子抗裂貼因初期抗拉伸作用強(qiáng)未產(chǎn)生塑性變形，在初裂后出現(xiàn)小段緩慢增長(zhǎng)，有明顯的阻裂行為；普通灌縫處治結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展速率高于高分子抗裂貼，裂紋擴(kuò)展相同長(zhǎng)度時(shí)，高分子抗裂貼所需輪載作用次數(shù)遠(yuǎn)高于普通灌縫，高分子抗裂貼結(jié)構(gòu)疲勞壽命高于普通灌縫結(jié)構(gòu)。

4 擴(kuò)展有限元分析

4.1 疲勞分析基礎(chǔ)

采用ABAQUS中XFEM破壞準(zhǔn)則控制損傷的起始、損傷演化參數(shù)控制損傷的發(fā)展、損傷穩(wěn)定性系數(shù)改善收斂，實(shí)現(xiàn)裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。在XFEM中，以基于斷裂力學(xué)理論中J積分作為應(yīng)力強(qiáng)度因子的函數(shù)，通過(guò)J積分反映裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的強(qiáng)度即應(yīng)變能釋放率G，判斷裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和應(yīng)力水平。

由Paris公式[見(jiàn)式(1)]可預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展。經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，在線彈性狀態(tài)下J積分即為應(yīng)變能釋放率G，可與應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

(1)

在斷裂力學(xué)中，材料疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律一般服從3個(gè)階段(見(jiàn)圖6)：1)起裂低速擴(kuò)展階段。當(dāng)瀝青加鋪層累計(jì)損傷達(dá)到1，即裂紋尖端處G達(dá)到Gthresh應(yīng)變能釋放率閾值時(shí)，反射裂縫產(chǎn)生并將沿瀝青加鋪層向上擴(kuò)展，擴(kuò)展迅速且出現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)域。該階段末期逐漸放緩擴(kuò)展速度，轉(zhuǎn)向擴(kuò)展穩(wěn)定期。2)開(kāi)裂穩(wěn)定擴(kuò)展階段。穩(wěn)定擴(kuò)展階段的時(shí)間占比在整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程中最大，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到瀝青加鋪層中間位置時(shí)，繼續(xù)保持裂紋擴(kuò)展所需彎拉應(yīng)力減小，開(kāi)裂保持穩(wěn)定擴(kuò)展，直到達(dá)到Gpl應(yīng)變能釋放率上限，進(jìn)入加速擴(kuò)展期。3)加速擴(kuò)展階段。經(jīng)過(guò)前兩階段的擴(kuò)展，裂紋已擴(kuò)展到瀝青加鋪層上部，結(jié)構(gòu)層經(jīng)受的累計(jì)損傷導(dǎo)致疲勞加劇，進(jìn)入快速開(kāi)裂階段直到裂紋貫穿瀝青加鋪層，導(dǎo)致瀝青加鋪層失去結(jié)構(gòu)承載能力，G達(dá)到Gc極限應(yīng)變能釋放率。

圖6 材料疲勞裂紋擴(kuò)展示意圖

在裂紋擴(kuò)展曲線圖中，各參數(shù)滿足以下關(guān)系：

(2)

在XFEM中采用變形后的Paris公式預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展規(guī)律：

(3)

預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展第1階段的疲勞壽命為：

(4)

裂紋擴(kuò)展到第3階段所剩的疲勞壽命已很少，幾乎可忽略不計(jì)。

4.2 模型建立

為模擬室內(nèi)試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展，建立普通灌縫、高分子抗裂貼室內(nèi)結(jié)構(gòu)二維擴(kuò)展有限元模型，擴(kuò)展有限元模型與室內(nèi)模型的比例為1∶1(見(jiàn)圖7)。模型底部進(jìn)行完全約束，水平方向允許豎向位移及轉(zhuǎn)動(dòng)，并作以下假設(shè)：加鋪層底部預(yù)留3 mm裂紋；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采用乳化瀝青黏結(jié)，將界面看成連續(xù)且不發(fā)生層間脫空現(xiàn)象；斷裂準(zhǔn)則符合最大主應(yīng)力準(zhǔn)則，開(kāi)裂方向與最大主應(yīng)力方向垂直。

圖7 二維擴(kuò)展有限元結(jié)構(gòu)模型

擴(kuò)展有限元模型面層采用3 cm厚AC-13C，舊水泥路面厚度為4 cm，以簡(jiǎn)支支座模擬土基同時(shí)代表舊水泥路面的脫空狀態(tài)，模型參數(shù)見(jiàn)表5。高分子抗裂貼考慮其加筋作用及黏結(jié)作用，拉伸模量取200 MPa，黏結(jié)強(qiáng)度取0.2 MPa。

表5 模型材料參數(shù)

4.3 擴(kuò)展有限元分析結(jié)果

通過(guò)設(shè)置正確的疲勞斷裂參數(shù)，對(duì)2種處治結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)裂紋在二維平面下動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，得到加鋪層瀝青混合料裂紋從3 mm擴(kuò)展到30 mm時(shí)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度a與輪載循環(huán)作用次數(shù)N之間的關(guān)系。在裂紋縮放系數(shù)為4的情況下，2種加鋪結(jié)構(gòu)擴(kuò)展有限元局部應(yīng)力見(jiàn)圖8、圖9。室內(nèi)試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展結(jié)果與擴(kuò)展有限元模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖10、圖11，試驗(yàn)值與模擬值的誤差見(jiàn)表6。

圖8 普通灌縫處治措施下加鋪結(jié)構(gòu)二維局部應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖9 高分子抗裂貼處治措施下加鋪結(jié)構(gòu)二維局部應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖10 普通灌縫處治下室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與XFEM模擬結(jié)果對(duì)比

圖11 抗裂貼處治下室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與XFEM模擬結(jié)果對(duì)比

表6 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與XFEM模擬結(jié)果的誤差

從圖8、圖9可看出：1)隨著裂紋的擴(kuò)展，在裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，說(shuō)明裂紋尖端處應(yīng)力場(chǎng)比其他未產(chǎn)生裂紋部分的應(yīng)力大得多，與理論計(jì)算結(jié)果一致。2)高分子抗裂貼對(duì)舊水泥路面接裂縫的阻裂作用要求其具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。對(duì)高分子抗裂貼開(kāi)裂行為的模擬發(fā)現(xiàn)，嵌入約束可較好地模擬抗裂貼的加筋和黏結(jié)作用，但在采用嵌入約束模擬抗裂貼的加筋作用時(shí)不能只采用抗拉模量。實(shí)際應(yīng)用中由于其未完全嵌入面層中，不能完全顯示出其抗拉強(qiáng)度，需對(duì)模量進(jìn)行折減。通過(guò)分析，得到將其模量折減到約1%能與實(shí)際開(kāi)裂情況相符。

由圖10、圖11、表6可知：對(duì)普通灌縫和高分子抗裂貼處治結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維XFEM模擬，初裂及終裂輪載作用次數(shù)與試驗(yàn)值基本一致，采用XFEM可準(zhǔn)確模擬舊加鋪路面反射裂縫的擴(kuò)展，并對(duì)抗裂措施下加鋪結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

5 結(jié)論

(1)高分子抗裂貼由于加筋和應(yīng)力消散作用，可提高加鋪結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，其中加筋作用主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)初裂后延緩反射裂紋擴(kuò)展，在抗裂貼加筋作用寬度范圍內(nèi)彎拉應(yīng)力消散明顯，對(duì)兩側(cè)應(yīng)力消散作用較弱。

(2)高分子抗裂貼及普通灌縫處治結(jié)構(gòu)中，加鋪層層底應(yīng)變變化趨勢(shì)基本一致，因?yàn)r青混合料發(fā)生應(yīng)變硬化及終裂后應(yīng)力重分布，加鋪層層底所受彎拉作用減弱，瀝青層層底左、右兩側(cè)應(yīng)變經(jīng)過(guò)線性變化后趨于平緩再有所下降。

(3)普通灌縫和高分子抗裂貼處治結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂曲線在初裂階段存在略微差異，XFEM模擬高分子抗裂貼時(shí)需將對(duì)其模量進(jìn)行折減，折減到1%能與實(shí)際開(kāi)裂情況相符。

(4)XFEM設(shè)置合理的斷裂參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，有效模擬裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、預(yù)估加鋪結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。