高彈性應力吸收帶疲勞試驗及阻裂機理研究*

李德軍， 羅少輝， 唐永紅， 李強,3

(1.湖南省岳陽市公路建設和養護中心， 湖南 岳陽 414000；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114；3.道路結構與材料交通行業重點實驗室， 湖南 長沙 410114)

反射裂縫是舊水泥砼路面加鋪瀝青路面后的主要病害之一，其在加鋪層層底萌生和擴展的主要原因是舊水泥砼路面接、裂縫處的應力局部效應。談至明等從理論力學模型上證明了設置局部軟弱夾層可有效防止因局部應力形成的張開型反射裂縫。為削弱和防止產生應力集中現象，在阻裂夾層材料與方法上不斷創新，逐漸形成了全幅鋪設和條帶狀鋪設中間夾層兩類處治方式。全幅鋪設雖能控制隨機產生的裂縫，但經濟性較差，施工難度大，施工質量難以保證。沿接、裂縫方向鋪設的條帶狀層間防反射裂縫方式因其價格低廉、操作簡單而得到推廣應用。條帶狀鋪設的防裂材料主要有高分子抗裂貼和高彈性橡膠瑪蹄脂應力吸收帶。目前對新型高彈性應力吸收帶抗裂夾層材料的應用較少，且對條帶鋪設整體性能評價局限于車轍試驗獲得的疲勞壽命，缺乏該措施下應力擴散情況及抗裂機理分析。該文結合實體工程，采用新型高彈性體接縫填充材料(HZ/ZD-4型)構成高彈性應力吸收帶，通過室內試驗對比普通灌縫、高分子抗裂貼、高彈性應力吸收帶的抗裂效果，并建立三維有限元模型分析移動荷載作用下模型結構的動態響應及阻裂力學機理。

1 原材料

試驗采用AC-13C瀝青混合料，其中集料采用石灰巖，配合比見表1。瀝青采用SBS改性瀝青，油石比為4.9%。經檢測，瀝青混合料的技術指標滿足規范要求。

表1 瀝青混合料集料級配

高分子抗裂貼的技術指標見表2。高彈性應力吸收帶以聚合物彈性體材料為基材，通過特殊施工工藝將5種功能材料組合形成高彈性體填充材料，具有高彈性、強黏結性、柔韌性及阻裂性能，技術指標見表3。

表2 高分子抗裂貼的技術指標

表3 高彈性應力吸收帶的技術指標

2 室內模擬試驗

2.1 試驗方法

采用DWT雙輪漢堡車轍儀，通過輪載的往返模擬原路面在行車荷載下反射裂縫的產生與擴展。為便于觀察與量測不同抗裂處治措施下瀝青砼加鋪層反射裂縫擴展情況，對車轍儀的試模進行改進，將一側鋼板拆除，采用F型夾具固定試模及試件，保證百分表在試件側面的安裝與數值讀取(見圖1)。

圖1 車轍儀試模拆除及固定方法

2.2 室內試驗模型結構

通過國內外疲勞開裂模擬試驗裝置和室內模擬試驗的比較分析，發現在車轍輪載作用條件下板式支承試驗模型觀測到的是車轍破壞，很難觀測到裂紋擴展開裂破壞，只有在簡支支承條件下模型結構才呈現典型的裂紋擴展破壞。因此，室內模型試驗選用簡支支承，試驗方案見表4，模型結構見圖2，橡膠墊塊采用3 cm以改進車轍試驗，滿足模具高度。

表4 室內結構模型方案

圖2 簡支支承條件下抗裂處治措施結構模型(單位：cm)

2.3 試樣制備

車轍試件為靜壓法成型的AC-13C瀝青混合料，壓實度為92%，尺寸為30 cm×30 cm×3 cm。將滿足要求的AC-13C試件黏結制成路面結構模型，步驟如下：1) 采用麻石切割加工成30 cm×30 cm×4 cm試塊，并在中間切縫模擬2塊水泥砼路面接縫；2) 將3種抗裂材料按照其施工工藝對麻石試塊接、裂縫進行抗裂處理；3) 麻石試件涂抹SBS改性瀝青黏層油，將其瀝青車轍試件黏結組成抗裂結構模型，并在瀝青混合料層預裂范圍側面涂白色涂料，以便從側面觀察和量測裂縫發展。

將成型試件、墊塊及試模安裝固定在漢堡車轍儀試驗臺上，車轍輪位于成型試件的中央，其滾動方向與試件裂縫方向垂直[見圖1(a)]。

2.4 試驗參數

溫度設定為室溫(25±0.5) ℃；試輪接地壓強為(0.7±0.05) MPa；行走次數為(52±1) 次/min；模擬舊水泥砼路面接縫的麻石預設裂縫寬度為8 mm。

3 室內試驗結果分析

3.1 抗疲勞性能

3種抗裂材料室內模擬試驗結果見表5。由于高彈性應力吸收帶抗裂措施試件在未出現明顯裂縫時已發生嚴重車轍破壞，且試驗輪載作用次數已遠超其他抗裂方案，選擇終止試驗。

表5 簡支支承條件下疲勞試驗結果

由表5可知：從產生初裂輪載作用次數來看，抗裂貼處治措施為普通灌縫的2倍，裂縫完全貫穿瀝青加鋪層(終裂)時抗裂貼處治措施的輪載作用次數約為普通灌縫的1.85倍；從初裂到終裂的輪載作用次數來看，普通灌縫平均為4 450次，而抗裂貼處治措施平均為9 045次，后者為前者的2倍。說明在產生反射裂縫后，經抗裂貼處治后抗裂紋擴展能力強于普通灌縫；高彈性應力吸收帶抗反射裂縫的效果強于抗裂貼。

3.2 反射裂縫擴展規律

裂紋擴展寬度采用百分表從瀝青加鋪層側面量測，采用高清攝影機記錄百分表讀數，獲取裂紋寬度與輪載作用次數的關系。抗裂貼和普通灌縫各取2個典型試件數據，繪制裂縫擴展寬度隨輪載作用次數的擴展趨勢圖(見圖3)。

圖3 裂縫擴展寬度隨輪載作用次數擴展趨勢

在輪載重復作用下舊路面接、裂縫處頂部材料劣化，在尖端應力效應下產生初始裂紋，并向瀝青加鋪層擴展。在這個過程中，裂縫處治材料抗裂性能的優劣影響裂紋擴展寬度和擴展速度。從圖3可看出：普通灌縫處治方案的反射裂縫寬度隨輪載作用次數的增加呈線性增大，抗裂貼處治方案的裂紋擴展速度相對較緩；裂紋完全貫穿瀝青加鋪層時，普通灌縫與抗裂貼措施下反射裂縫終裂寬度相差不大。

高彈性應力吸收帶抗裂措施在試件出現嚴重車轍時，側面未觀測到明顯裂紋擴展，百分表能量測到的2個試件的位移為0.030與0.035 mm。

以阻裂率CRR作為抗裂材料抵抗反射裂縫能力的評價指標，計算公式如下：

(1)

式中：a0為普通灌縫措施下裂紋終裂時最大寬度；amax為其他抗裂措施下裂紋終裂時最大寬度。

根據室內模型試驗中百分表量測結果，按式(1)計算得抗裂貼處治方案1#、2#試件的阻裂率分別為13.3%、9.2%，高彈性應力吸收帶抗裂方案1#、2#試件的阻裂率分別為98.2%、97.9%。高彈性應力吸收帶的阻裂效果遠好于抗裂貼處治方案。

4 室內模型試驗有限元分析

4.1 有限元模型

4.1.1 模型結構

為模擬移動荷載作用下路面結構受力狀態，建立簡支支承模型結構(見圖4)。模型結構底部完全約束，頂部荷載作用面不作約束，與行車方向垂直面允許其豎向位移及轉動。同時作以下假設：不考慮抗裂貼及應力吸收帶材料阻尼現象，路面結構層材料為均質體，采用線彈性模型；瀝青混合料層與舊水泥面層中間采用瀝青黏結，界面連續且不發生層間相對滑移；水泥板與橡膠墊塊界面之間相對滑移很小，采用small sliding接觸分析。

圖4 模型結構網格劃分

4.1.2 材料參數

通過模態分析獲得結構頻率響應，其中路面結構阻尼比為0.02～0.2，選取阻尼比0.05，其他參數見表6。

表6 路面結構參數

為實現阻裂材料對路面結構的加筋作用和黏結作用，不考慮其阻尼作用，分別采用拉伸模量及黏結強度對抗裂貼進行模擬，得拉伸模量為200 MPa、黏結強度為0.2 MPa，高彈性應力吸收帶的彈性模量為800 MPa。

4.1.3 移動荷載

黃仰賢在研究動態荷載作用時間問題時，采用式(2)所示荷載時間簡化計算公式，得到荷載作用在瀝青混合料層表面的時間約為0.9 s。

(2)

式中：T為荷載作用時間(s)；l為車輪接觸面積半徑(cm)；v為車輪行駛速度(cm/s)。

移動荷載垂直裂紋方向，車輪接觸面積為5 cm×2.2 cm。為實現移動荷載，在瀝青混合料層表面設置荷載移動網格條帶，每個網格長度、寬度均與車輪接觸瀝青面的寬度相同，共分為10個網格，每個階躍時間荷載作用一個網格，通過Visual Fortran 2013編寫用戶子程序vdload并關聯Visual Studio 2012，通過調用子程序完成移動荷載分布。

4.2 動態力學響應分析

4.2.1 應力云圖

荷載是否實現移動可通過加鋪層表面荷載作用時產生的荷載應力進行判別，隨著時間變化，荷載作用位置不同，結構層內產生的應力變化也不同。圖5為模型結構不同時間點及視圖切片的Mise應力云圖。

圖5 模型結構不同時間點及視圖切片的Mise應力云圖(單位：Pa)

從圖5可看出：在移動荷載作用下，Mise應力由裂紋中部逐漸向兩端降低。根據網格劃分判斷荷載移動距離，階躍時間為0.45 s時，移動荷載正好作用在舊水泥砼路面接縫上方，此時瀝青混合料層層底及接縫兩邊的連接處出現明顯應力集中現象；移動荷載逐漸駛離接縫正上方時，在荷載作用一側的接縫頂端出現明顯應力集中現象。說明不管荷載移動到哪個位置，接縫頂端處均會產生應力集中現象，此處也是初始裂紋產生的部位。

4.2.2 抗裂機理分析

隨著加載的移動，舊水泥砼路面接縫上方瀝青混合料層層底應力狀態隨著時間變化而變化。應力云圖分析表明荷載作用在接縫正上方時，接縫處產生最大應力。因此，以接縫上方瀝青混合料層層底部位作為分析對象，繪制移動荷載作用下瀝青混合料層層底剪應力隨時間變化曲線(見圖6)。

圖6 瀝青混合料層層底剪應力隨時間變化曲線

從圖6可看出：抗裂貼處治方案與普通灌縫方案的瀝青混合料層剪應力變化曲線沒有明顯差異，而高彈性應力吸收帶方案的剪應力減小幅度大于其他方案，峰值強度由0.14 MPa減少到0.08 MPa，說明抗裂貼對剪應力的消散作用不顯著。分析其原因，在剪切作用下抗裂貼抗反射裂縫的能力主要來自于抗裂貼與舊水泥砼路面的黏結力，黏結力強的抗裂貼在抗疲勞開裂性能上更優。而抗裂貼黏結力大小受材料黏結性能及施工工藝影響較大，施工前舊水泥砼路面接縫處界面處理不徹底、施工過程中加熱滾壓不到位都會嚴重影響抗裂貼的黏結力，從而影響抗裂貼的阻裂效果。采用高彈性應力吸收帶抗裂方案，相當于在舊水泥砼路面接縫與瀝青加鋪層間設置一薄層柔軟夾層將兩者隔開，并起到彈性緩沖協調變形作用，從而大大降低荷載作用下剪切作用的影響。

板式試件應力分布較復雜，板中每個方向都存在不同受力狀態，圖7為板中沿行車方向、垂直于行車方向不同抗裂方案下最大主應力分布情況。

圖7 瀝青混合料層層底中截面橫向應力變化(t=0.45 s)

從圖7可看出：1) 荷載作用于板中時，沿行車方向最大主應力由板中迅速向兩邊減小。采用抗裂貼和高彈性應力吸收帶處治方案，板中最大主應力由普通灌縫方案的0.60 MPa分別下降至0.41與0.32 MPa，但在距板中4～9 cm范圍最大主應力略大于普通灌縫，且高彈性應力吸收帶更顯著。距板中4～9 cm范圍是舊水泥砼、應力吸收帶或抗裂貼、瀝青混合料、黏層材料相互接觸區域，材料交界部位會有尖端應力效應，同時抗裂貼和高彈性應力吸收帶會進一步平緩板中部位的應力峰值。2) 板式試件底部的最大主應力峰值并不在板中位置，而是出現在距板中兩側10 cm左右即4倍輪半寬位置。板底峰值最大主應力由普通灌縫的0.75 MPa降到抗裂貼的0.54 MPa和高彈性應力吸收帶的0.40 MPa，且后兩者的變化更平緩。

綜合瀝青混合料層底剪應力和層底中截面橫向應力變化，抗裂貼抵抗反射裂縫主要以加筋作用為主，增強瀝青混合料層層底水平抗變形能力，即垂直于行車方向的加筋作用顯著；高彈性應力吸收帶對瀝青混合料層底抗剪及抗拉均有明顯改善作用，能顯著提高瀝青混合料加鋪結構層的抗裂性能。

5 結論

(1) 在3種舊水泥砼路面“白改黑”抗裂處治措施中，高彈性應力吸收帶和抗裂貼的平均阻裂率分別為98.1%、11.3%，抗裂貼初裂和終裂輪載作用次數分別為普通灌縫的2倍、1.85倍，抗裂貼對接縫反射裂縫有一定延緩作用，高彈性應力吸收帶抗裂效果最佳。

(2) 抗裂貼與普通灌縫方案的接縫頂部瀝青混合料層底剪應力變化曲線沒有明顯差異，而高彈性應力吸收帶方案的剪應力減小幅度較明顯；垂直于行車方向的瀝青混合料層層底中截面橫向最大主應力呈馬鞍形分布，且峰值隨著抗裂措施的不同而顯著降低。

(3) 抗裂貼主要以加筋作用為主，抵抗張拉型反射裂縫效果明顯；高彈性應力吸收帶兼具彈性夾層和抗裂貼的作用，抵抗剪切型及張拉型反射裂縫的效果顯著。