張芷英，解建光，張冰洋，朱毅偉，趙勇

（南京航空航天大學(xué) 民航與飛行學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

中國大批機場建于20 世紀(jì)末，大部分水泥混凝土道面逐漸接近設(shè)計使用年限，產(chǎn)生裂縫、坑槽、脫空等病害［1］。為了提高道面使用性能，延長道面使用壽命，迫切需要對機場舊混凝土道面結(jié)構(gòu)進行補強或者功能恢復(fù)；加鋪瀝青層是目前較為有效的解決辦法。瀝青加鋪層出現(xiàn)的病害主要分為變形、裂縫兩大類［2］，其中裂縫類病害尤其是反射裂縫對道面結(jié)構(gòu)危害極大［3］，且更容易在后續(xù)服役期間產(chǎn)生二次大面積病害［4］。目前已有朱林等［5］、Li［6］多位學(xué)者對瀝青路面裂縫形成機理進行研究，并且有多位學(xué)者對瀝青混合料進行抗裂性分析：Zhang 等［7］研究了瀝青混合料在間接拉伸試驗（IDT）中的微裂紋模式、裂紋萌生和擴展以及能量消耗；Li 等［8］采用指標(biāo)斷裂能評價了摻加鋼渣微粉的瀝青混合料的抗裂性能；Yang 等［9］采用三點彎曲小梁試驗評價了硅藻土改性瀝青混合料的抗裂性能；Cheng等［10］采用間接拉伸試驗評價了摻加硅藻土和玄武巖纖維的瀝青混合料的抗裂性能；王雪蓮等［11］通過建立大粒徑透水性瀝青混合料層（LSPM）離散元模型，研究了半剛性瀝青路面產(chǎn)生反射裂縫的機理，分析了裂縫尖端處的應(yīng)力場以及LSPM 層內(nèi)細(xì)觀結(jié)構(gòu)對裂尖應(yīng)力的作用；欒利強［12］以疲勞斷裂力學(xué)理論和材料試驗為基礎(chǔ)，對半剛性基層瀝青路面裂縫的擴展行為進行了系統(tǒng)研究。目前國內(nèi)外學(xué)者對于瀝青混合料的裂縫成因及開裂特性已經(jīng)有一定認(rèn)識，但對加鋪層反射裂縫的研究相對較少，因此本文擬用三點彎曲室內(nèi)小梁試驗探究改性瀝青-水泥復(fù)合梁在不同底層裂縫類型下的反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展過程，揭示不同類型的底層裂縫對瀝青加鋪層的影響，為優(yōu)化瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

試驗用水泥為普通硅酸鹽P.O42.5 水泥，細(xì)骨料為Ⅱ級配區(qū)中砂，粗骨料為最大粒徑16 mm 的機制玄武巖碎石；試驗用瀝青為雙龍牌70#道路石油瀝青，纖維為木質(zhì)素纖維，礦粉為石灰?guī)r礦粉，試驗用改性劑為NRP 改性劑及SBS 改性劑。

1.2 試驗配合比

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）中規(guī)定進行反復(fù)試配后，最終確定應(yīng)用于試驗的C40 水泥混凝土配合比如表1 所示。

表1 水泥混凝土配合比 kg/m3

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）規(guī)定，采用馬歇爾試驗方法確定SMA-13 瀝青混合料最佳油石比為6%、礦粉摻量為8%、纖維摻量為0.3%，設(shè)計空隙率為3.6%，瀝青混合料級配如表2 所示。

表2 SMA-13 瀝青混合料級配

1.3 試驗方案

為模擬實際水泥路面上各類型裂縫，擬對水泥層預(yù)設(shè)3 種裂縫，瀝青-水泥復(fù)合梁示意圖見圖1。

圖1 復(fù)合梁結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

本試驗復(fù)合小梁試件由300 mm×300 mm×50 mm 的水泥混凝土板和300 mm×300 mm×70 mm 的瀝青板切制后黏結(jié)而成，其中，瀝青層與水泥層采用環(huán)氧樹脂黏結(jié)，水泥層裂縫貫通，復(fù)合小梁具體尺寸及數(shù)量如表3 所示。底層為橫縫時，水泥層由2 塊150 mm×50 mm×25 mm 的水泥塊拼接而成；底層為十字縫時，水泥層由4 塊150 mm×25 mm×25 mm的水泥塊拼接而成；底層為豎縫時，水泥層由2 塊300 mm×25 mm×25 mm 的水泥塊拼接而成。

表3 復(fù)合梁尺寸

采用液壓伺服試驗機進行三點彎曲試驗，加載示意圖如圖2 所示，試件層間粘貼應(yīng)變片用于測量小梁中部縱向應(yīng)變。為模擬靜壓時的狀態(tài)，試驗采用1 mm/min 的位移加載控制方式，試驗溫度為15 ℃，試驗終止條件為跨中承受荷載值降低至0。

圖2 三點彎曲試驗加載示意圖（單位：mm）

2 復(fù)合梁力學(xué)響應(yīng)分析

通過電液伺服系統(tǒng)對瀝青-水泥復(fù)合梁進行三點加載，加載過程中裂縫發(fā)展如圖3 所示。當(dāng)復(fù)合梁豎向撓度達(dá)到3.0 mm 時，復(fù)合梁承載荷載達(dá)到峰值，開始觀察到跨中有細(xì)微裂縫產(chǎn)生，而后承載荷載進入下降段；當(dāng)復(fù)合梁豎向撓度達(dá)到6.3 mm 時，復(fù)合梁承載荷載進一步下降，此時可明顯觀察到一條跨中裂縫；當(dāng)復(fù)合梁豎向撓度達(dá)到10.0 mm 時，復(fù)合梁承載能力接近極限狀態(tài)，裂縫進一步擴張且貫通整個瀝青層；繼續(xù)加載，復(fù)合梁承載力下降為0，試件斷裂。

圖3 裂縫發(fā)展圖（以帶橫縫的SBS 復(fù)合梁為例）

試驗通過外接應(yīng)變箱采集復(fù)合梁三點彎曲試驗數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)后，繪制其跨中荷載-位移曲線及跨中縱向應(yīng)變-時間曲線，研究了不同底層裂縫類型及兩種改性劑對瀝青層承載狀態(tài)的影響，結(jié)果見圖4～7，峰值荷載及最大豎向撓度見表4。

圖4 荷載-跨中豎向撓度曲線

表4 復(fù)合梁峰值荷載及最大豎向撓度

從圖4 可知：①當(dāng)?shù)酌鏋闄M縫時，復(fù)合梁會先以較快速度達(dá)到峰值荷載，而后瀝青層進入2 min 左右的屈服階段，隨后復(fù)合梁進入破壞階段承受荷載值緩慢下降，最終復(fù)合梁完全破壞，荷載值下降為0；②當(dāng)?shù)酌鏋樨Q縫時，復(fù)合梁迅速達(dá)到峰值荷載隨后水泥層發(fā)生脆性破壞，而后復(fù)合梁承載力小幅度回彈隨后瀝青層進入2 min 左右的屈服階段，接下來復(fù)合梁進入破壞階段承受荷載值緩慢下降，最終復(fù)合梁完全破壞，荷載值下降為0；③當(dāng)?shù)酌鏋槭挚p時，復(fù)合梁荷載-撓度曲線與橫縫相似，先以較快速度達(dá)到峰值荷載，而后瀝青層先后經(jīng)歷屈服階段和破壞階段。比較復(fù)合梁底層為橫縫和十字縫的荷載-位移曲線可知，十字縫中的橫縫為主要破壞縫；④比較復(fù)合梁破壞時的跨中撓度，底面為橫縫時，NRP 復(fù)合梁為12.04 mm、SBS 復(fù)合梁為11.50 mm，底面為十字縫時，NRP 復(fù)合梁為11.46 mm、SBS 復(fù)合梁為10.47 mm，底面為豎縫時，NRP 復(fù)合梁為13.55 mm、SBS復(fù)合梁為12.52 mm，兩種材料的跨中撓度：豎縫＞橫縫＞十字縫；比較復(fù)合梁破壞時的峰值荷載，底面為橫縫時，NRP 復(fù)合梁為0.208 kN、SBS 復(fù)合梁為0.185 kN，底面為十字縫時，NRP 復(fù)合梁為0.185 kN、SBS 復(fù)合梁為0.166 kN，底面為豎縫時瀝青層受力屈服段峰值荷載NRP 復(fù)合梁為0.202 kN、SBS 復(fù)合梁為0.182 kN，兩種材料破壞時的峰值荷載：橫縫≈豎縫＞十字縫。

從圖5 可得：①相同裂縫類型時，NRP 復(fù)合梁和SBS 復(fù)合梁荷載-撓度曲線形狀和走勢相似，NRP 復(fù)合梁破壞時的最大荷載大于SBS 復(fù)合梁破壞時的最大荷載，且NRP 復(fù)合梁最終破壞時的跨中撓度大于SBS 復(fù)合梁最終破壞時的跨中撓度；②相同裂縫類型時，在達(dá)到峰值荷載前，SBS 和NRP 復(fù)合梁承載能力相似；在峰值荷載后，復(fù)合梁進入屈服段，此時同一跨中撓度時NRP 復(fù)合梁承載的荷載更大，承受同一荷載時NRP 復(fù)合梁跨中撓度更小，說明NRP 改性劑對于瀝青混合料進入屈服階段后的抗反射裂縫能力增強效果更佳；③比較復(fù)合梁的荷載-撓度曲線包圍面積，底面為橫縫時NRP 復(fù)合梁為SBS 復(fù)合梁的1.15 倍，底面為十字縫時NRP 復(fù)合梁為SBS 復(fù)合梁的1.34 倍，底面為豎縫時NRP 復(fù)合梁為SBS 復(fù)合梁的1.19 倍。相同裂縫類型時，NRP 復(fù)合梁的荷載-撓度曲線包圍面積大于SBS 復(fù)合梁，可以看出NRP 改性劑對于帶有各種類型初始裂縫的復(fù)合梁彎曲韌性的改善效果更好。

圖5 復(fù)合梁荷載-跨中豎向撓度曲線

從圖6 可得：①不同裂縫類型的復(fù)合梁跨中縱向應(yīng)變-時間曲線形狀和走勢相似，不同裂縫類型的NRP 復(fù)合梁和SBS 復(fù)合梁均呈現(xiàn)出跨中縱向應(yīng)變增長速率隨時間的增長而逐漸變大的規(guī)律。在4 min過后復(fù)合梁位移達(dá)到4 mm，裂縫發(fā)育迅速，復(fù)合梁跨中縱向應(yīng)變片先后失效；②相同時間，復(fù)合梁底面跨中縱向應(yīng)變：豎縫＜橫縫＜十字縫；且復(fù)合梁底面跨中縱向應(yīng)變增長速率亦為：豎縫＜橫縫＜十字縫；③當(dāng)?shù)酌鏋槭挚p時，其跨中縱向應(yīng)變-時間與橫縫更為相似，再次證明此加載方式下十字縫中的橫縫為主要破壞縫。

圖6 跨中縱向應(yīng)變-時間曲線

從圖7 可得：同一時間時，NRP 復(fù)合梁和SBS 復(fù)合梁的跨中縱向應(yīng)變值相近、應(yīng)變增長速率相似。此外從縱向應(yīng)變-時間曲線中可以看出應(yīng)變片失效時記錄到的NRP 復(fù)合梁的應(yīng)變值略大于SBS 復(fù)合梁，說明此時NRP 改性瀝青混合料層裂縫張開速率略小于SBS 改性瀝青混合料層，從而再次證明NRP改性劑對于瀝青混合料進入屈服階段后的抗反射裂縫能力增強效果更佳。

圖7 復(fù)合梁跨中縱向應(yīng)變-時間曲線

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011），由式（1）、（2）、（3）計算得到不同底層裂縫類型下復(fù)合梁瀝青層的彎拉強度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量，結(jié)果如表5 所示。

表5 不同裂縫類型復(fù)合梁彎拉強度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量

式中：RB為試件破壞時的抗彎拉強度（MPa）；εB為試件破壞時的最大彎拉應(yīng)變（10-6）；SB為試件破壞時的彎曲勁度模量（MPa）；b為跨中斷面試件的寬度（mm）；h為跨中斷面試件的高度（mm）；L為試件的跨徑（mm）；PB為試件破壞時的最大荷載（N）；d為試件破壞時的跨中撓度（mm）。

從表5 可以看出：不同裂縫類型時，NRP 復(fù)合梁瀝青層的彎拉強度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量均略大于SBS 復(fù)合梁，說明在一定程度上NRP 改性劑對提高瀝青混合料抵擋反射裂縫的能力優(yōu)于SBS改性劑。

3 結(jié)論

（1）在三點彎曲加載模式下，底面為十字縫和橫縫的反射裂縫發(fā)展過程相似：荷載-撓度曲線走勢相似、十字縫的峰值荷載略小于橫縫、最終破壞時的豎向撓度略小于橫縫，推得十字裂縫中橫縫為主要破壞裂縫，且橫縫的產(chǎn)生對復(fù)合梁整體的結(jié)構(gòu)強度影響較大；底面為豎縫時，具有明顯的水泥破壞段，對于NRP 復(fù)合梁，其豎縫的峰值荷載為橫縫的2.50 倍，最終破壞的豎向撓度為橫縫的1.13 倍，對于SBS 復(fù)合梁，其豎縫的峰值荷載為橫縫的2.59 倍，最終破壞的豎向撓度為橫縫的1.09 倍，可以推得豎縫的產(chǎn)生對復(fù)合梁承載能力影響較小。

（2）NRP 改性瀝青混合料較普通改性瀝青具有更好的抗反射裂縫性能：①從荷載-撓度曲線中可以看出破壞時的最大荷載和最終破壞時的豎向撓度均大于SBS 改性瀝青；②從縱向應(yīng)變-時間曲線中可以看出應(yīng)變片失效時記錄到的NRP 復(fù)合梁的應(yīng)變值大于SBS 復(fù)合梁，且臨近應(yīng)變片失效時NRP 復(fù)合梁的應(yīng)變增長速率略小于SBS 復(fù)合梁，說明此時NRP 改性瀝青混合料層裂縫張開速率略小于SBS 改性瀝青混合料層，從而證明NRP 改性劑對于瀝青混合料進入屈服階段后的抗反射裂縫能力增強效果更佳，對于延緩機場道面瀝青加鋪層反射裂縫產(chǎn)生的效果更好。