水溫環(huán)境作用下瀝青裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)抗壓性能研究

左中和，楊 雁

（中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410004）

0 引言

瀝青混凝土（Asphalt Concrete, AC）路面具有表面平整、耐磨性能好、強(qiáng)度高以及無縫等優(yōu)點(diǎn)，在我國公路基礎(chǔ)工程建設(shè)中受到廣泛應(yīng)用。瀝青混凝土通常鋪筑于瀝青路面的面層，在長期車輛荷載和自然環(huán)境的作用下，極易產(chǎn)生不同形態(tài)的裂縫[1]。為了延長瀝青路面的使用壽命，在實(shí)際工程維護(hù)中通常會(huì)向?yàn)r青裂縫中注入修補(bǔ)材料，并使其以裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)的形式繼續(xù)工作。水溫環(huán)境會(huì)加速瀝青混凝土路面老化[2-3]，裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)存在修補(bǔ)材料與瀝青混凝土之間的界面過渡區(qū)，其受水-熱耦合作用下極易產(chǎn)生二次破壞。因此，探明不同水溫環(huán)境作用下瀝青混凝土裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)的性能衰變規(guī)律，對提升瀝青混凝土路面的裂縫修補(bǔ)效果、延長道路的壽命具有重大意義。

本試驗(yàn)選用環(huán)氧樹脂膠和環(huán)氧丙烯酸酯/聚氨酯互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（EA/PUIPN）分別對豎向裂縫和V 型裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，并針對30℃、40℃、50℃、60℃四種水溫環(huán)境作用，研究了不同水溫環(huán)境作用下AC 裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)抗壓性能的變化規(guī)律，并建立了其Logistic 損傷預(yù)測模型。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 瀝青混凝土基體

瀝青采用道路改性瀝青，型號(hào)為路翔SBS（1-D），粗集料為花崗巖碎石，細(xì)集料為河沙，填料為石灰石礦粉和消石灰粉，瀝青混合料石油比為5.1%，集料級(jí)配如表1 所示。

表1 集料級(jí)配

1.1.2 裂縫修補(bǔ)材料

環(huán)氧樹脂膠采用德意生產(chǎn)的E44 型環(huán)氧樹脂AB膠，環(huán)氧樹脂與固化劑的比例為1:1；EA/PU IPN 修補(bǔ)材料各成分質(zhì)量比為環(huán)氧丙烯酸酯100%，聚氨酯50%，稀釋劑70%，引發(fā)劑5%，促進(jìn)劑5%，交聯(lián)劑25.8%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件成型

本試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的T0703—2011 和T0714—1993，制作出40mm×40mm×80mm 的基準(zhǔn)試件，將基準(zhǔn)試件沿高度方向從中切開，分別模擬6mm 寬的垂直裂縫和V 型裂縫，待試件干燥后將兩種修補(bǔ)材料灌入模擬裂縫中。待修補(bǔ)材料固化后，養(yǎng)護(hù)7d，獲得裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)單軸抗壓試件，并將試件按修補(bǔ)材料與裂縫形態(tài)分別編號(hào)為EP-H、EP-V、EA-H、EA-V。

1.2.2 水溫環(huán)境模擬

先對試件進(jìn)行真空飽水處理，使試件飽水；將試件浸泡于水中，并置于真空箱內(nèi)，使真空箱在97.3kPa 的真空度下保持15min，完成真空飽水處理；取出飽水試件，將其放入已達(dá)設(shè)定溫度的恒溫水浴鍋中，恒溫48h，并分別設(shè)定水溫為30℃、40℃、50℃和60℃。

1.2.3 單軸抗壓試驗(yàn)

單軸壓縮試驗(yàn)基于標(biāo)準(zhǔn)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的T0714—1993 瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)（棱柱體法）方法進(jìn)行，試驗(yàn)儀器為CMT 5105 型萬能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)步驟為：將經(jīng)水溫環(huán)境模擬后的基準(zhǔn)試件和修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件置于試驗(yàn)機(jī)臺(tái)座上，上下各墊一張薄聚四氟乙烯薄膜，荷載的加載速率設(shè)定為50mm/min。為保障測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組至少備有3 個(gè)平行試件，且試件從模擬環(huán)境中取出直至破壞不得超過45s。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓性能

在不同水溫環(huán)境作用下，基準(zhǔn)試件和各裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件的單軸壓縮測試結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 不同水溫環(huán)境作用下裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件抗壓強(qiáng)度

圖2 不同水溫環(huán)境作用下裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件壓縮破壞勁度模量

由圖1 和圖2 可以發(fā)現(xiàn)，水溫環(huán)境因素對瀝青裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件的抗壓性能影響非常明顯。各試件的抗壓強(qiáng)度與壓縮破壞勁度模量均隨水溫的升高而降低，環(huán)氧樹脂裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)的抗壓性能下降幅度較大，而EA/PU IPN 修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)的抗壓性能下降趨勢與基準(zhǔn)試件較為接近。在各水溫環(huán)境下，環(huán)氧樹脂裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件的抗壓性能均要優(yōu)于基準(zhǔn)試件和EA/PU IPN 修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件。

對比同種修補(bǔ)材料下不同裂縫形態(tài)試件的抗壓性能可以發(fā)現(xiàn)，EP-H 與EP-V 在各溫度下的抗壓強(qiáng)度與壓縮破壞勁度模量相差較大，而兩種EA/PU IPN 修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件的性能則較為相近，這是因?yàn)樵谶M(jìn)行裂縫修補(bǔ)時(shí)，EA/PU IPN 修補(bǔ)材料的流動(dòng)性要優(yōu)于環(huán)氧樹脂膠，其能滲入V 型裂縫的底端填補(bǔ)細(xì)小的空隙，使得整個(gè)裂縫與修補(bǔ)材料之間黏結(jié)更為充分，而針對環(huán)氧樹脂膠流動(dòng)性差的問題，可以考慮添加適量稀釋劑，改善其流動(dòng)性能。

2.2 損傷度分析

本文引入損傷度來描述不同水溫作用下裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)抗壓性能的變化規(guī)律，其公式如下。

式中：In——在n℃水溫條件下試件的抗壓強(qiáng)度或壓縮破壞勁度模量；I30——試件的抗壓強(qiáng)度和壓縮破壞勁度模量初始值，初始水溫為30℃。

基于圖1 和圖2 的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出各水溫環(huán)境作用下各試件的抗壓強(qiáng)度損傷度和壓縮破壞勁度模量損傷度曲線，見圖3、圖4。

圖3 不同水溫環(huán)境作用下裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件抗壓強(qiáng)度損傷度

由圖3、圖4 可知，隨著水溫的升高，各試件的抗壓強(qiáng)度損傷度與壓縮勁度模量損傷度均呈上升趨勢。當(dāng)水溫在40℃時(shí)，基準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度和壓縮破壞勁度模量損傷度最大；當(dāng)水溫由40℃上升至50℃時(shí)，基準(zhǔn)試件和兩種環(huán)氧樹脂膠修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件的抗壓性能損傷度增長趨勢較為平緩，而EA/PUIPN 裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件的損傷度增長幅度最大；當(dāng)水溫達(dá)到60℃，各裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件損傷度均已超過基準(zhǔn)試件，其中EA-V 試件的損傷度最大，其抗壓強(qiáng)度損傷度高達(dá)62.67%，壓縮破壞勁度模量損傷度為68.4%。

圖4 不同水溫環(huán)境作用下裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件壓縮破壞勁度模量損傷度

2.3 損傷度預(yù)測模型

本文擬以水環(huán)境溫度為自變量，以試件的抗壓強(qiáng)度損傷度為因變量建立Logistic 損傷度預(yù)測模型，計(jì)算公式如下。

式中：D——抗壓強(qiáng)度損傷度；t——模擬環(huán)境水溫；a、b、t、ρ——待估參數(shù)，其中a——回歸曲線初值；b——回歸曲線終值。

基于圖1 和圖2 的試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合式（1），建立不同水溫環(huán)境下裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度損傷度預(yù)測模型，各試件的擬合公式見表2，其擬合曲線見圖5和圖6。

圖5 垂直裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件抗壓強(qiáng)度損傷度Logistic 擬合圖

圖6 V 型裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度損傷度Logistic 擬合圖

表2 不同水溫環(huán)境下裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度損傷度預(yù)測模型

由表2 可知，各裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件在不同水溫環(huán)境作用下，Logistic 模型的擬合曲線與各試件的抗壓強(qiáng)度實(shí)測曲線基本一致，四條擬合曲線的R2 均在0.97 以上。

3 結(jié)語

（1）水溫環(huán)境對裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)的抗壓性能影響較大，各裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件的抗壓強(qiáng)度與壓縮破壞勁度模量均隨水溫的升高而降低。

（2）基準(zhǔn)試件與四種裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)的抗壓性能損傷度均隨水溫的升高而上升，其中EA/PUIPN 修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)試件的性能損傷度增長幅度最大。

（3）Logistic 模型能準(zhǔn)確地反映出各裂縫修補(bǔ)組合結(jié)構(gòu)在受不同水溫環(huán)境影響中的抗壓強(qiáng)度的損傷度規(guī)律。