高弹性应力吸收带疲劳试验及阻裂机理研究*

李德军， 罗少辉， 唐永红， 李强,3

(1.湖南省岳阳市公路建设和养护中心， 湖南 岳阳 414000；2.长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114；3.道路结构与材料交通行业重点实验室， 湖南 长沙 410114)

反射裂缝是旧水泥砼路面加铺沥青路面后的主要病害之一，其在加铺层层底萌生和扩展的主要原因是旧水泥砼路面接、裂缝处的应力局部效应。谈至明等从理论力学模型上证明了设置局部软弱夹层可有效防止因局部应力形成的张开型反射裂缝。为削弱和防止产生应力集中现象，在阻裂夹层材料与方法上不断创新，逐渐形成了全幅铺设和条带状铺设中间夹层两类处治方式。全幅铺设虽能控制随机产生的裂缝，但经济性较差，施工难度大，施工质量难以保证。沿接、裂缝方向铺设的条带状层间防反射裂缝方式因其价格低廉、操作简单而得到推广应用。条带状铺设的防裂材料主要有高分子抗裂贴和高弹性橡胶玛蹄脂应力吸收带。目前对新型高弹性应力吸收带抗裂夹层材料的应用较少，且对条带铺设整体性能评价局限于车辙试验获得的疲劳寿命，缺乏该措施下应力扩散情况及抗裂机理分析。该文结合实体工程，采用新型高弹性体接缝填充材料(HZ/ZD-4型)构成高弹性应力吸收带，通过室内试验对比普通灌缝、高分子抗裂贴、高弹性应力吸收带的抗裂效果，并建立三维有限元模型分析移动荷载作用下模型结构的动态响应及阻裂力学机理。

1 原材料

试验采用AC-13C沥青混合料，其中集料采用石灰岩，配合比见表1。沥青采用SBS改性沥青，油石比为4.9%。经检测，沥青混合料的技术指标满足规范要求。

表1 沥青混合料集料级配

高分子抗裂贴的技术指标见表2。高弹性应力吸收带以聚合物弹性体材料为基材，通过特殊施工工艺将5种功能材料组合形成高弹性体填充材料，具有高弹性、强黏结性、柔韧性及阻裂性能，技术指标见表3。

表2 高分子抗裂贴的技术指标

表3 高弹性应力吸收带的技术指标

2 室内模拟试验

2.1 试验方法

采用DWT双轮汉堡车辙仪，通过轮载的往返模拟原路面在行车荷载下反射裂缝的产生与扩展。为便于观察与量测不同抗裂处治措施下沥青砼加铺层反射裂缝扩展情况，对车辙仪的试模进行改进，将一侧钢板拆除，采用F型夹具固定试模及试件，保证百分表在试件侧面的安装与数值读取(见图1)。

图1 车辙仪试模拆除及固定方法

2.2 室内试验模型结构

通过国内外疲劳开裂模拟试验装置和室内模拟试验的比较分析，发现在车辙轮载作用条件下板式支承试验模型观测到的是车辙破坏，很难观测到裂纹扩展开裂破坏，只有在简支支承条件下模型结构才呈现典型的裂纹扩展破坏。因此，室内模型试验选用简支支承，试验方案见表4，模型结构见图2，橡胶垫块采用3 cm以改进车辙试验，满足模具高度。

表4 室内结构模型方案

图2 简支支承条件下抗裂处治措施结构模型(单位：cm)

2.3 试样制备

车辙试件为静压法成型的AC-13C沥青混合料，压实度为92%，尺寸为30 cm×30 cm×3 cm。将满足要求的AC-13C试件黏结制成路面结构模型，步骤如下：1) 采用麻石切割加工成30 cm×30 cm×4 cm试块，并在中间切缝模拟2块水泥砼路面接缝；2) 将3种抗裂材料按照其施工工艺对麻石试块接、裂缝进行抗裂处理；3) 麻石试件涂抹SBS改性沥青黏层油，将其沥青车辙试件黏结组成抗裂结构模型，并在沥青混合料层预裂范围侧面涂白色涂料，以便从侧面观察和量测裂缝发展。

将成型试件、垫块及试模安装固定在汉堡车辙仪试验台上，车辙轮位于成型试件的中央，其滚动方向与试件裂缝方向垂直[见图1(a)]。

2.4 试验参数

温度设定为室温(25±0.5) ℃；试轮接地压强为(0.7±0.05) MPa；行走次数为(52±1) 次/min；模拟旧水泥砼路面接缝的麻石预设裂缝宽度为8 mm。

3 室内试验结果分析

3.1 抗疲劳性能

3种抗裂材料室内模拟试验结果见表5。由于高弹性应力吸收带抗裂措施试件在未出现明显裂缝时已发生严重车辙破坏，且试验轮载作用次数已远超其他抗裂方案，选择终止试验。

表5 简支支承条件下疲劳试验结果

由表5可知：从产生初裂轮载作用次数来看，抗裂贴处治措施为普通灌缝的2倍，裂缝完全贯穿沥青加铺层(终裂)时抗裂贴处治措施的轮载作用次数约为普通灌缝的1.85倍；从初裂到终裂的轮载作用次数来看，普通灌缝平均为4 450次，而抗裂贴处治措施平均为9 045次，后者为前者的2倍。说明在产生反射裂缝后，经抗裂贴处治后抗裂纹扩展能力强于普通灌缝；高弹性应力吸收带抗反射裂缝的效果强于抗裂贴。

3.2 反射裂缝扩展规律

裂纹扩展宽度采用百分表从沥青加铺层侧面量测，采用高清摄影机记录百分表读数，获取裂纹宽度与轮载作用次数的关系。抗裂贴和普通灌缝各取2个典型试件数据，绘制裂缝扩展宽度随轮载作用次数的扩展趋势图(见图3)。

图3 裂缝扩展宽度随轮载作用次数扩展趋势

在轮载重复作用下旧路面接、裂缝处顶部材料劣化，在尖端应力效应下产生初始裂纹，并向沥青加铺层扩展。在这个过程中，裂缝处治材料抗裂性能的优劣影响裂纹扩展宽度和扩展速度。从图3可看出：普通灌缝处治方案的反射裂缝宽度随轮载作用次数的增加呈线性增大，抗裂贴处治方案的裂纹扩展速度相对较缓；裂纹完全贯穿沥青加铺层时，普通灌缝与抗裂贴措施下反射裂缝终裂宽度相差不大。

高弹性应力吸收带抗裂措施在试件出现严重车辙时，侧面未观测到明显裂纹扩展，百分表能量测到的2个试件的位移为0.030与0.035 mm。

以阻裂率CRR作为抗裂材料抵抗反射裂缝能力的评价指标，计算公式如下：

(1)

式中：a0为普通灌缝措施下裂纹终裂时最大宽度；amax为其他抗裂措施下裂纹终裂时最大宽度。

根据室内模型试验中百分表量测结果，按式(1)计算得抗裂贴处治方案1#、2#试件的阻裂率分别为13.3%、9.2%，高弹性应力吸收带抗裂方案1#、2#试件的阻裂率分别为98.2%、97.9%。高弹性应力吸收带的阻裂效果远好于抗裂贴处治方案。

4 室内模型试验有限元分析

4.1 有限元模型

4.1.1 模型结构

为模拟移动荷载作用下路面结构受力状态，建立简支支承模型结构(见图4)。模型结构底部完全约束，顶部荷载作用面不作约束，与行车方向垂直面允许其竖向位移及转动。同时作以下假设：不考虑抗裂贴及应力吸收带材料阻尼现象，路面结构层材料为均质体，采用线弹性模型；沥青混合料层与旧水泥面层中间采用沥青黏结，界面连续且不发生层间相对滑移；水泥板与橡胶垫块界面之间相对滑移很小，采用small sliding接触分析。

图4 模型结构网格划分

4.1.2 材料参数

通过模态分析获得结构频率响应，其中路面结构阻尼比为0.02～0.2，选取阻尼比0.05，其他参数见表6。

表6 路面结构参数

为实现阻裂材料对路面结构的加筋作用和黏结作用，不考虑其阻尼作用，分别采用拉伸模量及黏结强度对抗裂贴进行模拟，得拉伸模量为200 MPa、黏结强度为0.2 MPa，高弹性应力吸收带的弹性模量为800 MPa。

4.1.3 移动荷载

黄仰贤在研究动态荷载作用时间问题时，采用式(2)所示荷载时间简化计算公式，得到荷载作用在沥青混合料层表面的时间约为0.9 s。

(2)

式中：T为荷载作用时间(s)；l为车轮接触面积半径(cm)；v为车轮行驶速度(cm/s)。

移动荷载垂直裂纹方向，车轮接触面积为5 cm×2.2 cm。为实现移动荷载，在沥青混合料层表面设置荷载移动网格条带，每个网格长度、宽度均与车轮接触沥青面的宽度相同，共分为10个网格，每个阶跃时间荷载作用一个网格，通过Visual Fortran 2013编写用户子程序vdload并关联Visual Studio 2012，通过调用子程序完成移动荷载分布。

4.2 动态力学响应分析

4.2.1 应力云图

荷载是否实现移动可通过加铺层表面荷载作用时产生的荷载应力进行判别，随着时间变化，荷载作用位置不同，结构层内产生的应力变化也不同。图5为模型结构不同时间点及视图切片的Mise应力云图。

图5 模型结构不同时间点及视图切片的Mise应力云图(单位：Pa)

从图5可看出：在移动荷载作用下，Mise应力由裂纹中部逐渐向两端降低。根据网格划分判断荷载移动距离，阶跃时间为0.45 s时，移动荷载正好作用在旧水泥砼路面接缝上方，此时沥青混合料层层底及接缝两边的连接处出现明显应力集中现象；移动荷载逐渐驶离接缝正上方时，在荷载作用一侧的接缝顶端出现明显应力集中现象。说明不管荷载移动到哪个位置，接缝顶端处均会产生应力集中现象，此处也是初始裂纹产生的部位。

4.2.2 抗裂机理分析

随着加载的移动，旧水泥砼路面接缝上方沥青混合料层层底应力状态随着时间变化而变化。应力云图分析表明荷载作用在接缝正上方时，接缝处产生最大应力。因此，以接缝上方沥青混合料层层底部位作为分析对象，绘制移动荷载作用下沥青混合料层层底剪应力随时间变化曲线(见图6)。

图6 沥青混合料层层底剪应力随时间变化曲线

从图6可看出：抗裂贴处治方案与普通灌缝方案的沥青混合料层剪应力变化曲线没有明显差异，而高弹性应力吸收带方案的剪应力减小幅度大于其他方案，峰值强度由0.14 MPa减少到0.08 MPa，说明抗裂贴对剪应力的消散作用不显著。分析其原因，在剪切作用下抗裂贴抗反射裂缝的能力主要来自于抗裂贴与旧水泥砼路面的黏结力，黏结力强的抗裂贴在抗疲劳开裂性能上更优。而抗裂贴黏结力大小受材料黏结性能及施工工艺影响较大，施工前旧水泥砼路面接缝处界面处理不彻底、施工过程中加热滚压不到位都会严重影响抗裂贴的黏结力，从而影响抗裂贴的阻裂效果。采用高弹性应力吸收带抗裂方案，相当于在旧水泥砼路面接缝与沥青加铺层间设置一薄层柔软夹层将两者隔开，并起到弹性缓冲协调变形作用，从而大大降低荷载作用下剪切作用的影响。

板式试件应力分布较复杂，板中每个方向都存在不同受力状态，图7为板中沿行车方向、垂直于行车方向不同抗裂方案下最大主应力分布情况。

图7 沥青混合料层层底中截面横向应力变化(t=0.45 s)

从图7可看出：1) 荷载作用于板中时，沿行车方向最大主应力由板中迅速向两边减小。采用抗裂贴和高弹性应力吸收带处治方案，板中最大主应力由普通灌缝方案的0.60 MPa分别下降至0.41与0.32 MPa，但在距板中4～9 cm范围最大主应力略大于普通灌缝，且高弹性应力吸收带更显著。距板中4～9 cm范围是旧水泥砼、应力吸收带或抗裂贴、沥青混合料、黏层材料相互接触区域，材料交界部位会有尖端应力效应，同时抗裂贴和高弹性应力吸收带会进一步平缓板中部位的应力峰值。2) 板式试件底部的最大主应力峰值并不在板中位置，而是出现在距板中两侧10 cm左右即4倍轮半宽位置。板底峰值最大主应力由普通灌缝的0.75 MPa降到抗裂贴的0.54 MPa和高弹性应力吸收带的0.40 MPa，且后两者的变化更平缓。

综合沥青混合料层底剪应力和层底中截面横向应力变化，抗裂贴抵抗反射裂缝主要以加筋作用为主，增强沥青混合料层层底水平抗变形能力，即垂直于行车方向的加筋作用显著；高弹性应力吸收带对沥青混合料层底抗剪及抗拉均有明显改善作用，能显著提高沥青混合料加铺结构层的抗裂性能。

5 结论

(1) 在3种旧水泥砼路面“白改黑”抗裂处治措施中，高弹性应力吸收带和抗裂贴的平均阻裂率分别为98.1%、11.3%，抗裂贴初裂和终裂轮载作用次数分别为普通灌缝的2倍、1.85倍，抗裂贴对接缝反射裂缝有一定延缓作用，高弹性应力吸收带抗裂效果最佳。

(2) 抗裂贴与普通灌缝方案的接缝顶部沥青混合料层底剪应力变化曲线没有明显差异，而高弹性应力吸收带方案的剪应力减小幅度较明显；垂直于行车方向的沥青混合料层层底中截面横向最大主应力呈马鞍形分布，且峰值随着抗裂措施的不同而显著降低。

(3) 抗裂贴主要以加筋作用为主，抵抗张拉型反射裂缝效果明显；高弹性应力吸收带兼具弹性夹层和抗裂贴的作用，抵抗剪切型及张拉型反射裂缝的效果显著。