何天貴， 陳 軍， 張青軍， 羅 輝

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074;2.河南省交通建設(shè)工程有限公司， 河南 鄭州 450000)

裂紋是瀝青砼路面的主要病害，新建公路在使用2～3年后都會(huì)出現(xiàn)大量裂紋，嚴(yán)重影響路面的壽命和使用性能。路面裂紋按裂紋擴(kuò)展方向分為表面裂紋和反射裂紋，目前國內(nèi)學(xué)者對(duì)表面裂紋和反射裂紋作了大量研究[1～6]。這些研究主要局限于瀝青砼路面單獨(dú)存在表面裂紋或反射裂紋的情況，而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)[7]，路面局部范圍內(nèi)含有密度較大的網(wǎng)裂，或表面與底面相對(duì)應(yīng)較小范圍內(nèi)同時(shí)含有表面裂紋和反射裂紋(文中簡稱相對(duì)裂紋)。

相對(duì)裂紋是單裂紋路面的進(jìn)一步惡化，一般是路面在荷載作用下先出現(xiàn)表面裂紋或反射裂紋，隨著荷載的循環(huán)作用，相對(duì)面也出現(xiàn)了裂紋，使裂紋的受力狀況發(fā)生了一定程度的改變，其對(duì)裂紋的擴(kuò)展會(huì)有一定的影響，但目前很少有人對(duì)此進(jìn)行研究，本文從室內(nèi)試驗(yàn)的角度對(duì)相對(duì)裂紋中表面裂紋對(duì)反射裂紋的擴(kuò)展影響作初步研究。

1 相對(duì)裂紋擴(kuò)展機(jī)理

在車輛荷載作用下，表面裂紋受壓，反射裂紋受拉[8]。假定表面裂紋位于反射裂紋右側(cè)，均布荷載P布置在反射裂紋正上方，詳見圖1。當(dāng)無表面裂紋時(shí)，反射裂紋兩側(cè)受力對(duì)稱，其在荷載P作用下屬于典型的Ⅰ型裂紋，其裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)是豎向；當(dāng)有表面裂紋時(shí)，其對(duì)荷載的傳遞具有阻斷作用，使近反射裂紋右側(cè)BD區(qū)的砼承受了比左側(cè)AB區(qū)更大的荷載，造成反射裂紋兩側(cè)受力不對(duì)稱，此時(shí)反射裂紋屬于典型的Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型裂紋。變形見圖中虛線所示，反射裂紋裂尖從E移到E′處，在荷載重復(fù)作用下，此范圍內(nèi)的砼首先破壞，裂紋從此處起裂。

圖1 荷載作用下裂紋變形情況

2 試 驗(yàn)

2.1 材料與級(jí)配

試驗(yàn)所用材料均取自河南省漯河市。粗集料最大粒徑26.5 mm；細(xì)集料最大粒徑9.75 mm；礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而得。瀝青為重交70#道路瀝青，各項(xiàng)指標(biāo)為：針入度(25℃，100 g，5 s)為67.5(0.1 mm)，延度(5 cm/min，15℃)150 cm，軟化點(diǎn)(環(huán)球法)49.9℃，閃點(diǎn)(開口)230℃?；旌狭项愋蜑橹辛Ｊ紸C-20，級(jí)配組成見表1，油石比5%。

表1 AC-20級(jí)配組成

2.2 試驗(yàn)方案

試件共分4組，每組4個(gè)，裂紋用切割機(jī)預(yù)制，所有反射裂紋均位于試件中間，每個(gè)試件寬度均為50 mm。第一組試件僅有反射裂紋，厚度h=60 mm；第二組表面裂紋位于反射裂紋右側(cè)，間距d=50 mm，厚度h=80 mm；第三組表面裂紋位于反射裂紋左側(cè)，間距d=50mm，厚度h=80 mm；第四組表面裂紋位于反射裂紋右側(cè)，間距d=80 mm，厚度h=80 mm。試件尺寸見圖2。

圖2 試件尺寸及裂紋位置

采用小梁彎曲試驗(yàn)演示反射裂紋的擴(kuò)展路徑，加載儀器為W7-972型液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)，最大量程100 kN，加載速率控制在2 mm/min以內(nèi)，試件加載布置見圖3。

圖3 試件加載

2.3 試件制作

試模尺寸300 mm×300 mm，高度根據(jù)需要調(diào)整，試件嚴(yán)格按照輪碾法要求制作[9]，用QCX-4型輕便式車轍式樣成型機(jī)碾壓，雙向各碾壓14次，每個(gè)試模制作一個(gè)大試件，共制作4個(gè)大試件。試件成型12 h后脫模并養(yǎng)護(hù)5 d，用切割機(jī)將每個(gè)大試件切割成4個(gè)小試件，作為一組，小試件尺寸符合2.2節(jié)中的要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 起裂角

起裂角為裂紋初始起裂方向與豎向的夾角，是預(yù)判裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)的重要指標(biāo)，裂紋分布和試件受力情況是影響起裂角的重要因素。試件中點(diǎn)承受集中荷載，加載速率2 mm/min，加載至裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)，測(cè)得各個(gè)試件的起裂角見表2。

從表2可知，反射裂紋起裂偏向表面裂紋的一側(cè)，即表面裂紋影響了反射裂紋的起裂方向。起裂角的大小與表面裂紋距反射裂紋的距離有關(guān)，距離越小，起裂角度越??；距離越大，起裂角度越大。但是，起裂角不可能無限增大，當(dāng)表面裂紋位于支點(diǎn)上方時(shí)(此時(shí)間距最大)，顯然此時(shí)表面裂紋的存在并不影響起裂角，與無表面裂紋時(shí)相當(dāng)，因此，起裂角度隨距離增大先增大，后減小。

分析表2數(shù)據(jù)，雖然同組試件的起裂角度變化幅度較大，甚至試件3-4、4-3的起裂方向與表面裂紋方向相反，但總體趨勢(shì)與表面裂紋的位置一致。由于瀝青砼的非均質(zhì)性，裂紋擴(kuò)展主要沿著集料表面進(jìn)行，因此，裂紋起裂處集料顆粒大小不一是影響起裂角變化幅度較大的主要原因。

表2 反射裂紋起裂角

3.2 擴(kuò)展路徑

從每組試件里選擇有代表性的試件并在一起進(jìn)行對(duì)比，見圖4，圖中曲線為裂紋擴(kuò)展路徑。裂紋總體擴(kuò)展趨勢(shì)均是從下往上，主要特點(diǎn)為：試件1-1沒有表面裂紋影響，起裂角度很小，擴(kuò)展路徑幾乎豎直向上；試件2-3、3-1、4-3在初始階段均偏向表面裂紋，隨后反向斜向上擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至反射裂紋正上方時(shí)，裂紋隨即調(diào)整為豎向。由此，可將裂紋擴(kuò)展分為三個(gè)階段：初始階段、調(diào)整階段、豎向階段，經(jīng)過這三個(gè)階段的擴(kuò)展，使反射裂紋擴(kuò)展的總體趨勢(shì)依然是從下往上。從圖4中可以看出，表面裂紋的存在對(duì)裂紋擴(kuò)展的初始階段影響較大，隨著擴(kuò)展，影響逐步減小，荷載作用位置對(duì)裂紋擴(kuò)展仍占主導(dǎo)因素，使其仍向上擴(kuò)展。

圖4 裂紋擴(kuò)展路徑對(duì)比

從第1節(jié)知道，表面裂紋的存在，使表面裂紋一側(cè)的砼受力大于另一側(cè)，致使裂紋斜向(偏向表面裂紋)起裂。隨著擴(kuò)展，裂紋尖端距離荷載作用點(diǎn)越近，荷載對(duì)裂紋的影響也就越大，裂紋擴(kuò)展路徑逐步轉(zhuǎn)向荷載作用點(diǎn)一側(cè)，當(dāng)擴(kuò)展至荷載正下方時(shí)，裂紋尖端兩側(cè)受力趨于均衡，其擴(kuò)展路徑也就逐步調(diào)整為豎向。

3.3 彎拉強(qiáng)度

采用三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)的彎拉強(qiáng)度計(jì)算式[9]：

式中，F(xiàn)為試樣破壞時(shí)的最大載荷(N)；B、H、L分別為試樣的寬度、高度和跨距(mm)。

從表3數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)無表面裂紋時(shí)，試件抗折強(qiáng)度最大，說明表面裂紋的存在明顯降低了強(qiáng)度；隨著裂紋間距的增大，抗折強(qiáng)度降低，當(dāng)表面裂紋位于支點(diǎn)上方時(shí)(此時(shí)間距最大)，顯然此時(shí)表面裂紋的存在并不影響強(qiáng)度，與無表面裂紋時(shí)相當(dāng)，因此，試件的抗折強(qiáng)度隨間距的增大先減小，后增大；只要間距相同，表面裂紋的位置(左側(cè)或右側(cè))對(duì)強(qiáng)度無明顯影響。

表3 試件彎拉強(qiáng)度計(jì)算值

4 結(jié) 論

(1)表面裂紋影響反射裂紋的起裂角度大小和方向。起裂角度大小與間距有關(guān)，一般隨間距增大，先增大后減小；起裂方向與表面裂紋的方位一致。

(2)表面裂紋影響反射裂紋的擴(kuò)展路徑。將擴(kuò)展路徑分為初始階段、調(diào)整階段、最終階段，表面裂紋對(duì)初始階段影響較大，裂紋斜向起裂，隨后逐步調(diào)整為豎向，使擴(kuò)展路徑呈明顯的曲線狀。

(3)表面裂紋影響試件彎拉強(qiáng)度。隨間距的增大，試件彎拉強(qiáng)度先減小后增大。

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