接縫修補材料對復合式路面 AC 層抵抗反射裂縫的試驗研究

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

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接縫修補材料對復合式路面 AC 層抵抗反射裂縫的試驗研究

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

摘要：通過小梁加載試驗研究不同修補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種修補材料即普通水泥混凝土(CC)、纖維增強水泥基復合材料(ECC)和 ECC 加設傳力桿(ECC-dowel)，通過三點抗彎試驗及微觀形貌觀察，分析不同復合梁的裂紋發展形式及抗變形能力。研究結果表明：CC，ECC和ECC-dowel修補材料的裂紋發展形式存在明顯不同；ECC應變硬化、多點開裂的延性特征可有效防止 AC 層反射裂縫的產生；ECC 與 ECC-dowel復合梁的斷裂模量、斷裂能等無顯著差異，說明 ECC 基體內纖維的橋接作用是復合梁抗變形能力的關鍵性因素，傳力桿貢獻不大。

關鍵詞：復合梁；接縫修補；纖維增強水泥基復合材料；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成復合式路面，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，同時又能充分利用舊水泥混凝土路面的剩余強度，且對交通及環境影響較小。由于舊水泥混凝土板存在較多的破損接縫，在溫度應力和行車荷載作用下，在使用的短時期內，AC(asphaltConcrete)層在水泥混凝土板破損接縫的對應位置處易形成反射裂縫。在環境因素和行車荷載反復作用下，裂縫迅速向四周擴展，水分通過裂縫滲入基層，在行車荷載反復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行修補。ECC(engineeredCementitiousComposite)是一種基于細觀力學設計的具有超強韌性的亂向分布短纖維增強水泥基復合材料，其以水泥、礦物摻合料以及石英砂作為基體，用纖維作增強材料。ECC在受拉荷載作用下因纖維的橋接作用表現出多點開裂、應變硬化的高延性特征[3?5]。本研究通過三點抗彎試驗，對比分析3種修補材料復合梁的裂紋發展形式、抗變形能力及斷裂能，評估修補材料用于抵抗 AC 層反射裂縫的有效性。研究所用3種裂縫修補材料分別為普通水泥混凝土(cementConcrete，CC)，ECC以及ECC加設傳力桿(ECC-dowel)。

1　實驗

1.1材料

普通水泥混凝土采用基準水泥，比表面積為350m2/kg；ECC 所用水泥為低縮復合性水泥[6]；試驗所用瀝青為改性瀝青。細骨料分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試件制備與試驗方法

復合梁整體長×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，其配合比及相關力學性能如下：水灰比為0.4；水泥、 水、砂、石子密度分別為488，195，689和1034 kg/m3；抗拉強度和抗壓強度分別為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：預先將與 U 型梁凹槽長×寬×高(150 mm×100 mm×35mm)相同的不銹鋼實心體置于模具(模具尺寸與組合梁整體尺寸相同)中間，實心體的中部預留有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”。對于設傳力桿的 U形梁，需預先在實心體的每個側面鉆孔加設傳力桿，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，將其放至標養間(溫度為(20±2)℃，相對濕度為90%以上)養護 7d，然后置于模具底部，在凹槽的底面及2個側面進行密集鉆眼刻槽，分別澆筑CC和ECC修補材料。ECC的配合比及力學性能如下：膠凝材料、水、砂質量比為1.00:0.25:0.30；纖維摻量(質量分數)為1.7%；抗拉強度和抗壓強度分別為9.4 MPa和62.8 MPa。為防止U型梁的預裂縫被堵塞，澆筑前在預裂縫處插入1mm厚的鋼片，待抗彎試驗前取出。

3)澆筑完成后將模具及試件整體放置標養間養護至28d，在U型梁與修補層構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、礦粉質量比為63:34:3；瀝青質量分數為4.4%。

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

復合梁成型完成后，在 TONINORM2000 試驗機上進行三點抗彎試驗，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)由引伸計測定，加載示意圖如圖2所示。采用普通光學顯微鏡及QUANTA 200F 型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察ECC受拉后的微觀形貌。

圖2三點抗彎試驗加載示意圖Fig.2Illustration of three-point-bending test

圖3　不同接縫修補材料的復合梁結構荷載-CMOD曲線Fig.3　Load-versus-CMOD plot of differentComposite beams

圖42種修補材料開裂狀態的光學顯微圖像Fig.4Optical microscopic images ofCracking forCC and ECC

2　實驗結果與分析

2.1裂紋發展分析

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

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

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

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

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

2.2彎曲性能

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

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，在施加荷載時基本不受力，故在計算斷裂模量時予以忽略；U 型混凝土梁因存在切口，也不承受荷載。

3種復合梁的斷裂模量及對應撓度見圖 8。由圖8(a)可以看出：CC復合梁的斷裂模量為8.0 MPa；ECC 和 ECC-dowel 復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復合梁的斷裂模量與CC 復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)所示為復合梁對應斷裂模量處的撓度，CC，ECC 和 ECC-dowel 這3種復合梁的撓度均值分別為1.11，3.79 和 3.65mm。斷裂模量對應的撓度表征了材料的延性特征，ECC復合梁顯示出良好延性，表明其作為接縫修補材料的可行性。另外，ECC和ECC-dowel這2種復合梁的斷裂模量及對應撓度差別不大，說明ECC基體內纖維的橋接作用是提高復合梁抗變形能力的關鍵性因素，傳力桿無突出貢獻。

圖7　不同接縫修補材料的復合梁結構荷載?撓度曲線Fig.7　Load?deflectionCurves of differentComposite beams

2.3斷裂能

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

圖8　3種復合梁的斷裂模量及對應撓度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為梁最終破壞時加載點的位移，mm；a0為初始裂縫寬度，mm。圖9所示為3種復合梁的斷裂能。從圖9可以看出：2種ECC復合梁的單位面積斷裂能比CC 復合梁的單位面積斷裂能提高約10倍，以ECC作為接縫修補材料的復合梁結構具有普通復合梁所無法具有的抗裂縫擴展性能，其對防止新鋪AC層產生反射裂縫具有重要意義；ECC與ECC-dowel復合梁的斷裂能相似，說明傳力桿對提高復合梁抗裂縫擴展能力貢獻不大。

2.4ECC開裂后微觀形貌

當基體內裂紋產生時，纖維在界面的脫黏與滑移對裂紋擴展時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微觀形貌，可以看出ECC中基體的水化產物緊密包裹住PVA纖維，與文獻[14]中鋼纖維與基體的結合情況對比，在常溫狀態下，ECC中纖維與基體的黏結更緊密。ECC受拉達到破壞荷載后，部分纖維脫離基體，由于纖維與基體的黏結特性，在纖維被拔出時產生較大的阻力[15]，纖維將部分水化產物一起帶出整個基體，如圖10(c)所示。纖維與基體良好的黏結性及纖維間的橋接作用使 ECC 具備較強的抵抗變形能力，ECC 受拉達到最大應變后，仍有一定的承載能力，宏觀表現即為多裂紋形態。

圖9　3種復合梁結構的斷裂能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 結論

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

2)2種ECC復合梁的斷裂模量及對應撓度、斷裂能與CC 復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層反射裂縫產生。

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

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特性，纖維被拔出時將部分水化產物一起帶出整個基體，纖維與基體良好的黏結性及纖維間的橋接作用進一步證明了ECC具備較強的抵抗變形能力。

參考文獻：

[1]喬鵬.舊水泥混凝土路面薄層瀝青罩面施工技術研究[D].西安: 長安大學公路學院,2009:10?29.QIAO Peng.Study ofConstruction technology for oldCementConcrete pavement with thin asphaltCoating[D].Xi’an:Chang’an University.Highway Institute,2009:10?29.

[2]MOLENAAR A A A.Evaluation of pavement structure with emphasis on reflectiveCracking[C]//Proceedings of the Second International RILEMConference.Cambridge,USA,1993: 21?48.

[3]?AHMARAN M,LI VC.EngineeredCementitiousComposites:CanComposites be accepted aCrack-freeConcrete?[J].Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board,2010,2164:1?8.

[4]LI VC.On engineeredCementitiousComposites(ECC)[J].Journal of AdvancedConcrete Technology,2003,1(3): 215?230.

[5]YANG Enhua,WANG Shuxin,YANG Yingzi,et al.Fiber-bridgingConstitutive law of engineeredCementitiousComposites[J].Journal of AdvancedConcrete Technology,2008,6(1):181?193.

[6]居賢春,張君,王振波,等.低干縮延性材料?混凝土復合梁抗彎性能[J].哈爾濱工業大學學報,2014,46(4): 75?81.JU Xianchun,ZHANG Jun,WANG Zhenbo,et al.Flexural performance of LSECC-concreteComposite beam[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2014,46(4): 75?81.

[7]FISCHER G,LI VC.Influence of matrix ductility on tensionstiffening behavior of steel reinforced engineeredCementitiousComposites(ECC)[J].ACI Structural Journal,2002,99(1):104?111.

[8]ZHANG Jun,LI VC,NOWAK A S,et al.Introducing ductile strip for durability enhancement ofConcrete slabs[J].Journal of Materials inCivil Engineering,2002,14(3): 253?261.

[9]BENTUR A,MINDESS S.Fibre reinforcedCementitiousComposites[M].Boca Raton,USA:CRC Press,2006:1?20.

[10]BAUANT Z P,NOVAK D.Proposal for standard test of modulus of rupture ofConcrete with its size dependence[J].ACI Materials Journal,2001,98(1): 79?87.

[11]PRASAD B K R.Fracture mechanics ofConcrete[J].Sadhana,2002,27(4): 411?412.

[12]ROSSELLóC,ELICES M,GUINEA G V.Fracture of modelConcrete: 2.Fracture energy andCharacteristic length[J].Cement andConcrete Research,2006,36(7):1345?1353.

[13]ABU-LEBDEH T,HAMOUSH S,HEARD W,et al.Effect of matrix strength on pullout behavior of steel fiber reinforced very-high strengthConcreteComposites[J].Construction and Building Materials,2011,25(1): 39?46.

[14]張倩倩,魏亞,張景碩,等.鋼纖維摻量對活性粉末混凝土斷裂性能的影響[J].建筑材料學報,2014,17(1): 24?29.ZHANG Qianqian,WEI Ya,ZHANG Jingshuo,et al.Influence of steel fiberContent on fracture properties of RPC[J].Journal of Building Materials,2014,17(1): 24?29.

[15]CHAN Yinwen,CHU S H.Effect of silica fume on steel fiber bondCharacteristics in reactive powderConcrete[J].Cement andConcrete Research,2001,34(7):1167?1172.

(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

文獻標志碼：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

基金項目(Foundation item)：云南省交通廳科技項目(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，博士生導師，從事結構材料與道路工程研究；E-mail: yawei@tsinghua.edu.cn