基于沖擊韌性的鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土疲勞性能設計研究

張順先，張肖寧，徐 偉，蔡 旭，郝增恒，萬 成

環(huán)氧瀝青混凝土由于其強度高、耐腐蝕性好、耐疲勞性能好、具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性能等優(yōu)點，在國內外多座大跨徑的鋼橋面鋪裝中得到應用［1］。但隨著使用年限的增加和繁重的交通負荷作用，環(huán)氧瀝青混凝土橋面鋪裝出現了很多病害，其中最主要的病害是疲勞裂縫。究其原因，主要是由于環(huán)氧瀝青混凝土是非均質的、對于溫度較敏感的多向性材料，其內部有很多微孔隙和微裂縫，這些材料本身的原始缺陷在溫度和行車荷載的重復作用下就會不斷演化發(fā)展，最終形成宏觀疲勞裂縫，如果疲勞裂縫進一步發(fā)展就會產生疲勞破壞［2］。

針對橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能，Youtcheff等［3］采用ALF和間接拉伸強度來評價環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能，劉振清等［4］采用損傷力學原理和方法，從力學近似法角度分析了單純的瀝青混合料鋪裝層矩形截面梁疲勞損傷特性;黃文通等［5］采用四點彎曲疲勞試驗，以剩余勁度模量為控制目標，得出了疲勞壽命與剩余勁度模量之間的關系;陳春紅等［6］引入裂紋尖端位移CTOD參數研究了鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土裂紋擴展階段的疲勞演化規(guī)律;龐淵［7］采用小梁三點應變控制方式對環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能進行了研究，并分析影響疲勞性能的各種因素。

縱觀已有的相關研究成果可發(fā)現，現階段環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能的設計理論還不夠完善，研究手段有待進一步改進;有些研究成果只停留在理論假設上，設計出的瀝青混合料疲勞性能不是很理想，與工程實際應用有一定得差別。另外，現階段環(huán)氧瀝青混合料配合比設計，主要通過馬歇爾試驗來進行各組分體積組成比例設計，然后通過相關疲勞試驗，研究其疲勞性能，采用此種方法設計的環(huán)氧瀝青混合料并沒有把疲勞性能設計納入配合比設計之中，而在實際使用過程當中環(huán)氧瀝青混凝土主要表現為疲勞破壞，因此現有的設計理論與實際使用情況之間有較大的差別。

本文在斷裂力學和能量法原理的基礎上，提出以沖擊韌性作為評價環(huán)氧瀝青混凝土配合比設計和疲勞性能的一個重要指標，分析不同瀝青含量和不同試驗溫度對沖擊韌性的影響;以混合料剩余勁度模量比來反映疲勞壽命的大小，并研究沖擊韌性和疲勞壽命之間的關系。

1 基于斷裂力學與能量法的理論基礎

當材料承受外界荷載作用時，材料內部本身就會產生一定的應力并導致相應的應變，材料在重復荷載作用下產生疲勞裂紋后，就會在裂紋處產生一定的應力應變場。J積分理論［8］可定量地描述裂紋體的應力應變場強度，它不僅適用于彈性體，對小變形的彈塑性體也適用。

設有一均質板，板上含一條貫穿裂紋，均質板所受的外力使裂紋周圍產生二維應力應變場。圍繞裂紋尖端取回路Г，由裂紋下表面任一點開始，按逆時針方向(弧長S的正向)沿Г環(huán)繞裂紋尖端行進，終止于裂紋上表面任一點，如圖1所示。J積分定義為:

式中:W為板的應變能密度;T→為作用在積分回路Г弧元d s上的外力矢量;U→為回路Г上的位移矢量。

圖1 J積分示意圖Fig.1 Schematic figure of the J-integral

Rice指出在小應變條件下，對于非線性彈性二維試件，J積分等于相同的外加載荷條件下，外形相同但具有相近裂紋長度a及a+d a的兩個試件單位厚度位能的差率［9］:

式中:Π為單位厚度應變能或變形功;W為單位能密度或變形功密度;S為試件面積;C1為給定荷載的邊界;Ti，ui為應力矢量與位移矢量。

實際上，J積分與變形功、邊界荷載或應力矢量、位移矢量的關系也可表示為［9］:

其中:C為試件的邊界范圍周長。

在斷裂沖擊試驗中，施加一集中荷載P，令加載點位移 ui=0，u2=δ。則:

于是式(3)可簡化為:

這樣，宏觀荷載位移曲線就與J積分聯系起來，在彈塑性體中，試件在外加荷載的作用下，產生變形后，就會在裂紋處產生一定的應力應變場，J積分可以定量地表現這個場的強度。

Bagley和Landes依據大量試驗，認為J積分作為衡量裂紋開裂的參量是適宜的，從而建立了J積分準則:當圍繞裂紋尖端的J積分達到臨界值JC(平面應力)或JIC(平面應變)時，裂紋開始擴展。JC或JIC被成為J積分斷裂韌度，代表材料的抗裂性能，由于韌度JIC可以用勢能公式表達出來，瀝青混合料的J積分斷裂韌度可以根據下面公式獲得［10］:

式中:U為荷載功(N·mm);荷載－位移曲線下的面積;b為試件厚度(mm);α裂紋長度(mm)，下標1、2代表不同試件。因此，材料發(fā)生斷裂時伴隨著能量的損耗，能量值可以用荷載－位移圖所包圍的面積來計算，試驗荷載－位移曲線下所包圍的面積越大，斷裂韌度JIC越大，材料抵抗破壞的能力越強。

圖2 荷載位移圖Fig.2 Load-displacement figure

圖2 (a)中表示環(huán)氧瀝青混凝土在達到所能承受的最大力之前，所施加的荷載和試件的變形呈現線性關系，該階段環(huán)氧瀝青混凝土處于彈性狀態(tài)，當加荷至最大荷載處材料突然斷裂，這是典型的脆性斷裂的特征;當圖2(b)表示超過最大荷載時材料并沒有突然斷裂，而是在逐漸卸載的情況下變形繼續(xù)增加直至斷裂，該階段材料處于屈服狀態(tài)，屬于屈服破壞。圖2中陰影部分的面積代表沖擊韌性，即為為荷載作用最大點時所做的功。根據J積分理論和JIC公式可知，沖擊韌性在理論上是可行的，結合Origin軟件和作者編寫的計算程序，可得出陰影部分的面積即沖擊韌性的大小，張肖寧等［11］曾采用沖擊韌性評價瀝青混合料抵抗反射裂縫的能力，并取得了較好的效果。

2 沖擊韌性試驗方法

本文所采用的沖擊韌性試驗擬采用小梁棱柱體試件進行研究，試件制備過程如下:

(1)采用輪碾成型機壓實成型，制備300 mm×300 mm×50 mm的板塊狀試件，將制備好的試件放到120℃的烘箱中進行加熱4天，使其快速固化。

(2)采用芬蘭生產的高精度雙面鋸將輪碾成型的固化后的板塊狀試件切制成長250 mm±2 mm、寬30 mm ±0.5 mm、高 35 mm ±0.5 mm 的棱柱體小梁(圖3)，其跨徑為200 mm±0.5 mm，采用這樣的試件均勻性好，試驗誤差小，方便易行。

圖3 切割后的小梁試件和MTS試驗機Fig.3 Trabecular specimen after cutting and MTStesting machine

(3)沖擊韌性試驗擬采用在MTS試驗機上進行，該試驗機的加載速率可以根據需要進行選擇，本次試驗加載擬采用的加載速率為500 mm/min。

3 基于沖擊韌性的環(huán)氧瀝青混凝土配合比設計評價

3.1 環(huán)氧瀝青膠結料組成

本文采用的瀝青膠結料為雙組分環(huán)氧瀝青，該瀝青膠結料由兩組分構成:組分A(環(huán)氧樹脂)和組分B(一種由石油瀝青和固化劑組成的勻質合成物)，這兩組分經復雜的化學改性所得的混合物即為環(huán)氧瀝青。組分A是由雙酚A和表氯醇經復雜的化學反應得到的液態(tài)雙環(huán)氧樹脂，不含稀釋劑、軟化劑或增塑劑，也不含無機填料、色素或其他污染物或不溶物質。組分B是一種由石油瀝青和環(huán)氧樹脂固化劑組成的勻質合成物，組分B中的瀝青和固化劑之間具有較好的相容性。組分A和B按要求混合并固化后得到的環(huán)氧瀝青技術指標如表1所示。

表1 環(huán)氧瀝青技術指標Tab.1 Epoxy asphalt technical indicators

3.2 測定集料基本參數

考慮橋面鋪裝混合料集料最大粒徑與施工最小厚度的技術要求，參考其他橋面鋪裝所使用集料的情況，采用13.2 mm為最大集料尺寸，間斷3～5 mm粒徑的碎石，細集料采用0～3 mm的石屑，按泰波指數n=0.5來設計，礦粉采用石灰石礦粉。測得集料的主要技術指標如表2。

表2 集料主要技術指標Tab.2 The main technical indicator of aggregate

各檔集料篩分結果如表3所示。

為了改善環(huán)氧瀝青混凝土在使用中的路用性能，根據已有的工程經驗調整礦粉和瀝青用量，其中礦粉用量控制在10%左右，瀝青用量控制在6.5～7.5%，調整礦粉和瀝青用量后，初擬以下三種級配，如圖4所示。

表3 各檔集料篩分結果Tab.3 Aggregate sieving result

圖4 三種級配曲線Fig.4 Three grading curve

按照圖4三種級配分別成型環(huán)氧瀝青混合料試件，成型方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行，將成型好的試件冷卻后放到120℃烘箱中進行固化，固化時間為4天取出試件，并按照本文2中沖擊韌性試驗方法制作成標準小梁試件并進行沖擊韌性試驗，試驗結果如圖5所示。根據試驗結果可知三種級配沖擊韌性均隨著瀝青用量的增加而增大，級配一的沖擊韌性大于其它兩個級配，沖擊韌性越大，荷載位移曲線包圍的面積越大;根據公式

可知荷載位移曲線包圍面積與J積分數值正比例關系，荷載位移曲線包圍面積越大，J積分也相應增大，則混合料的韌性越好，因此混合料的抗裂能力越強，因此擬采用級配一作為選定目標配合比級配。為了了解溫度變化和瀝青膠結料含量變化對小梁沖擊韌性的影響，按照2中試驗方法分別進行不同溫度和不同瀝青含量下的沖擊韌性試驗，試驗結果如圖6所示。

圖5 沖擊韌性試驗結果Fig.5 The test result of impact toughness

圖6 不同溫度和油石比下沖擊韌性Fig.6 Impact toughness in different temperature and ratio between bitumen and aggregate

由圖6可知，隨著試驗溫度升高，材料的沖擊韌性逐漸增大。這主要是環(huán)氧瀝青性能對溫度的依賴性決定了瀝青混合料性能也顯著地受溫度的影響。眾所周知，隨著溫度測量尺度的不同，瀝青混合料可以表現出、彈性體或粘性流體的所有特征，破壞過程由典型脆性破壞過渡到彈塑性破壞，這種轉變是由環(huán)氧瀝青混合料中環(huán)氧瀝青的性能決定的。隨著試驗溫度的升高，環(huán)氧瀝青混合料由玻璃態(tài)脆性固體向粘彈性體轉變，混合料的破壞由脆性破壞向屈服破壞轉變，同時混合料內部會發(fā)生微小的粘彈性變形，使荷載－位移圖曲線下的面積增大，即沖擊韌性逐漸增大，因此沖擊韌性在試驗溫度范圍內隨溫度升高而增大。

從圖6同時可以得出隨著瀝青含量的增加，沖擊韌性逐漸增大，當油石比小于6.9%時，曲線的斜率增加較快，沖擊韌性變化較大;當油石比大于6.9%時，曲線斜率變化幅度較小，增長較緩慢。不同于普通瀝青膠結料，環(huán)氧瀝青屬于固化性反應材料，其強度來源主要取決于環(huán)氧樹脂和固化劑的共同作用，本次試驗在三種級配變化不大、相同油石比條件下(6.9%)，包裹在集料周圍的結構瀝青厚度接近達到飽和狀態(tài)，隨著瀝青用量的增加，結構瀝青厚度不再發(fā)生變化。因此瀝青用量存在一個閥值點，該閥值點控制了沖擊韌性變化幅度的情況，本試驗中瀝青用量(油石比)閥值點為6.9%。這主要是由于瀝青膜厚度的影響，當瀝青用量較小時，包裹在礦料周圍的瀝青膜厚度不足或較薄，礦料之間粘結力較小，抗變形能力較差;隨著瀝青用量的增加，瀝青膜厚度逐漸變大，礦料之間的粘結力得到進一步的改善，抗變形能力也得到加強，沖擊韌性也隨著增大;當油石比大于6.9%時，礦料周圍的瀝青膜厚度不增加或增加較緩慢，混合料內部變形速率較小，因此沖擊韌性變化不明顯。

4 沖擊韌性與環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能之間的關系

現階段，環(huán)氧瀝青混合料疲勞試驗方法通常采用應力控制或應變控制兩種加載模式，這兩種加載模式在反映材料疲勞性能方面有較大差異。對于鋼橋面鋪裝應采用控制應變的荷載模式，原因如下:

(1)應力控制模式不能反映鋪裝層勁度模量隨著鋪裝材料的老化、疲勞性能會逐漸衰減過程。

(2)由于鋼橋面板和鋪裝層材料之間模量相差較大，鋪裝結構強度主要來源于橋面板的剛度。

文獻［5］曾對環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能進行了大量的試驗研究，結果表明以應變加載方式進行控制時，在600微應變的條件下，如按照混合料的剩余勁度模量降到初始勁度模量的50%作為破壞標準，其疲勞性能大于100萬次，試驗運行周期長，費用高，且試驗結果離散性大。為了能在相對較短的時間內得出環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞壽命，本文擬采用600微應變作為環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞控制應變，以加載100萬次后的剩余勁度模量比作為評價環(huán)氧瀝青疲勞性能的指標，剩余勁度模量比越大，表明瀝青混合料的疲勞壽命越好，采用英國公司生產的Cooper試驗機進行疲勞試驗。試驗結果如圖7所示。

圖7 不同油石比下的疲勞試驗結果Fig.7 Fatigue test results under different bitumen and aggregate ratio

從圖7中可以看出，當混合料加載100萬次后，瀝青用量由6.1%增加到6.9%時，曲線斜率很大，剩余勁度模量比有較大變化，表明此時瀝青混合料的疲勞性能在快速提高;當瀝青用量大于6.9%時，剩余勁度模量比變化較小，表明此時瀝青混合料的疲勞性能提高較緩慢，四點彎曲疲勞試驗結果與沖擊韌性試驗得到的結果一致，說明環(huán)氧瀝青混合料疲勞壽命和沖擊韌性之間有一定的相關性。

為了找出沖擊韌性和疲勞壽命之間的內在聯系和相關性，將15℃和25℃條件下的剩余勁度模量比和沖擊韌性值進行匯總，以沖擊韌性為橫坐標，剩余勁度模量比為縱坐標匯總于圖8。采用Origin軟件對試驗數據進行回歸擬合，得到線性方程分別為分別為 y=35.469x+2.901 和 y=29.810x+9.352，相關系數為0.982和0.959，說明沖擊韌性與疲勞壽命之間具有良好的線性相關性，因此沖擊韌性可以作為評價環(huán)氧瀝青混凝土疲勞性能的指標。

圖8 沖擊韌性與剩余勁度模量比之間關系Fig.8 The relationship between impact toughness and residual stiffness modulus

5 結論

本文基于斷裂力學和能量法的原理，采用沖擊韌性指標評價環(huán)氧瀝青混凝土的配合比設計和疲勞性能，并建立起沖擊韌性和混合料剩余勁度模量比之間的關系。具體得出如下結論:

(1)沖擊韌性指標可表示材料在沖擊荷載作用下發(fā)生斷裂前積蓄的能量，沖擊韌性越大，J積分值越大，表明混合料抗裂和抗疲勞的性能越好，因此沖擊韌性可作為評價環(huán)氧瀝青混凝土配合比設計和疲勞抗裂性能的有效指標。

(2)隨著瀝青用量的增大和溫度的升高，沖擊韌性值逐漸增大;兩組分環(huán)氧瀝青混合料瀝青用量(油石比)的閥值點為6.9%，當瀝青含量超過6.9%時，沖擊韌性增幅減緩，從性價比角度考慮，建議環(huán)氧瀝青混合料油石比為6.9%。

(3)采用剩余勁度模量比代表環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能，發(fā)現沖擊韌性和剩余勁度模量比均隨著瀝青用量的增加而逐漸增大，兩者具有較好的一致性。

(4)由試驗可知，環(huán)氧瀝青混合料的沖擊韌性和剩余勁度模量比之間具有很好的線性相關性，相關系數大于0.95，因此可以采用沖擊韌性評價環(huán)氧瀝青混凝土的疲勞性能。

(5)沖擊韌性試驗方法操作簡單快捷，可以作為環(huán)氧瀝青混凝土配合比設計和疲勞性能設計的一個評價指標，為環(huán)氧瀝青混凝土性能設計提供新思路。

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