冻融作用对环氧沥青混凝土复合梁抗裂性能的影响

戴程琳，张 勐，孙明志

(1.江西交通咨询有限公司，南昌 330008；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；3.道路结构与材料交通运输行业重点实验室，北京 100088)

钢桥面铺装中常用的是环氧沥青混凝土，随着使用期的增长各类病害逐渐发生，其中低温开裂是最典型病害形式。受中国北方季冻区气候特征的影响，钢桥面铺装长期处于反复的冻融循环作用下。反复的冻融循环作用不仅会对环氧沥青铺装的抗裂性能产生较大影响，还会造成环氧沥青铺装裂缝的扩展，进而引发钢桥面铺装体系的破坏，危害严重。

Islam等[1]根据ASTM C1645中规定的冻融循环试验方法，对冻融处理前后的沥青混凝土试件进行了四点弯曲试验和劈裂试验，随着冻融作用的加强，沥青混凝土弯拉刚度逐渐减小，劈裂强度无明显变化。Feng等[2]的研究中，冻融循环试验的一个周期包含-20 ℃冷冻8 h和60 ℃水浴4 h，实验发现不同级配热拌沥青混凝土的体积和质量损失率与冻融循环次数关系呈正相关。Goh等[3]根据ASTM-C666中规定的快速多次冻融循环试验方法，并通过图像处理技术得出结论：冻融循环次数越多，沥青混凝土集料剥落现象越明显。Attia等[4]根据ASTM D560和ASTM-C666中规定的冻融循环试验方法，进行冻融循环试验，研究表明，冻融作用不一定会造成再生沥青混凝土回弹模量的衰减。Özgan等[5]研究表明沥青混凝土的马歇尔稳定度和沥青饱和度随冻融循环次数的增加而降低，孔隙率和矿料间隙率随冻融循环次数的增加而增大。Diao等[6]的研究中，冻融循环试验的一个周期为4 h，其中冷冻时间为2.5 h和融化时间为1.5 h，研究结果表明冻融作用的加强，引气混凝土的强度出现衰减状况。Jamshidi等[7]进行了不同储存温度下的冻融试验，发现冻融次数大于12次后，水泥基材料会发生较大损伤。

然而，以往冻融循环试验的设计直接参照ASTM规范，或者对冻融处理各阶段的时间进行直接设定，不能很好地反映路面真实遇到的冻融循环情况[8-10]。同时，研究人员往往研究冻融作用对沥青混凝土力学参数、物理参数(如体积、质量损失率、空隙率、矿料间隙率等)等的影响，且研究对象多为具有裂缝自愈合能力的热塑型沥青混凝土，缺少热塑型环氧沥青混凝土复合结构破坏的研究[11-12]。

现提出基于中国北方季节性冰冻区冻融循环特点的室内冻融循环试验，研究冻融作用对环氧沥青混凝土弯曲劲度模量及环氧沥青混凝土复合梁平面应变断裂韧度(KIC)的影响，分析不同冻融循环次数下带裂缝环氧沥青混凝土复合梁发生裂缝扩展时的横向应力应变响应和层间黏结状况。

1 室内试验方法

1.1 试件的制备

成型环氧沥青混凝土小梁与复合梁试件级配采用在南京长江二桥钢桥面铺装试验研究中所确定的级配范围，如图1所示。采用美国ChemCoSystem公司生产的环氧沥青结合料，其A、B组分掺配比例为1∶5.85，油石比为6.5%。黏层材料采用美国ChemCoSystem公司生产的环氧沥青黏结料，其A、B组分掺配比例为1∶2.96。

将成型的车辙板切割成20 cm×3.5 cm×3 cm的小梁试件。试件共分为7组，每组2个试件，分别编号为1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2、5-1、5-2、6-1、6-2、7-1和7-2。环氧沥青混凝土复合梁结构采用天津海河大沽桥双层环氧铺装结构，如图2所示。图3、图4分别为复合梁形状和大小。

图1 环氧沥青混合料级配曲线图Fig.1 Composite gradation curve of epoxy asphalt mixture

图2 铺装结构示意图Fig.2 Structural diagram of pavement

图3 复合梁试件的截取Fig.3 Selection of composite beam specimen

图4 复合梁试件钢板模型和尺寸大小Fig.4 Steel plate model and size of composite beam specimen

首先，在钢板上均匀涂刷25.8 mL环氧沥青黏结料，待常温固化4 h后，采用静压法将拌合好的环氧沥青混合料压制到如图5所示成型复合梁试件的试模中，压实的环氧沥青铺装下层厚度为2.5 cm。然后，将成型好的“钢板-铺装下层”试件放入120 ℃环境烘箱中固化6 h，取出后在环氧沥青铺装下层表面涂刷17.1 mL环氧沥青黏结料，待常温固化4 h后，采用静压法将拌合好的环氧沥青混合料压制到之前成型的“钢板-铺装下层”试件上，压实的环氧沥青铺装上层厚度为2.5 cm。最后，将成型的环氧沥青混凝土复合梁试件放入120 ℃环境烘箱中固化6 h后取出，得到试验所用的环氧沥青混凝土复合梁试件，如图6所示。分别预制12 mm切口，编号为1-3、2-3、3-3、4-3、5-3、6-3、7-3。

图5 复合梁试具Fig.5 Composite beam test tool

图6 复合梁试件Fig.6 Composite beam specimen

1.2 冻融循环试验

首先对北京(39°26′N～41°03′N，115°25′E～117°30′E)冬季的气温条件进行调研。通常北京市从11月份开始有降雪和低温出现，且将持续到第二年2月[13-14]。故采用可进行温度控制的低温箱对试件进行冻融循环处理，条件为 -5 ℃保存18 h和5 ℃保存6 h，其中5 ℃饱水条件是为了模拟冬季环氧沥青混凝土铺装表面的雪和冰完全融化的极端条件，冻融循环次数如表1所示。

表1 不同试件组的冻融循环次数Table 1 Freeze thaw cycles of different specimen groups

1.3 三点弯曲试验

三点弯曲试验是研究平面应变断裂韧度(KIC)常用的试验方法，其受力特点与I型裂缝的受力相似[15]。三点弯曲试验加载方式为控制位移加载，试验温度为-14 ℃，试验温度通过温度控制箱进行控制。

2 数值模拟

2.1 带裂缝环氧沥青混凝土复合梁三点弯曲试验模型

通过有限元软件模拟破坏的环氧混凝土复合梁三点弯曲试验，对环氧沥青混凝土复合梁的破坏进行研究。采用四分之一节点单元法对裂缝进行定义，同时对裂缝形状进行简化。加载方式为控制位移加载，具体形状如图7所示，图中A为位移荷载加载点，B、C为三点弯曲试验的两个支点。

图7 环氧沥青混凝土复合结构单边切口梁Fig.7 Single side cut beam of epoxy asphalt concrete composite structure

所建模型假设环氧沥青混凝土为弹性材料[16]。根据表2所示7组冻融作用下环氧沥青混凝土的弯曲劲度模量，建立相应冻融循环次数下带裂缝环氧沥青混凝土复合梁三点弯曲试验模型(模型编号分别为1#～7#)，泊松比选取为0.25。钢板的弯曲劲度模量取210 GPa，泊松比取0.35。

2.2 数值模型有效性验证

为了验证环氧沥青混凝土梁三点弯曲试验模拟的有效性，仅列举1#的模拟图形和各数据点的误差，如图8、图9所示。对7个组模型仿真结果的各数据点的绝对百分误差求平均值，得到各组模拟的平均误差，如表3所示。

表2 不同次数冻融循环下环氧沥青混凝土的弯曲劲度模量Table 2 Bending stiffness modulus of epoxy asphalt concrete under different freeze-thaw cycles

图8 仿真结果与试验结果对照图Fig.8 Comparison of simulation results and test results

图9 仿真结果的绝对百分误差散点图Fig.9 Absolute percent error of simulation results

表3 平均绝对百分误差对照表Table 3 Average absolute percent error of simulation results

从图8和图9可知，被破坏的环氧沥青混凝土复合梁三点弯曲试验模型的模拟结果与试验过程中得到的结果拟合程度较好。由表3所示，在冻融作用下的7组平均误差均值都小于0.3。在上述分析基础上，可知7组冻融作用次数下带裂缝环氧沥青混凝土复合梁三点弯曲试验模型符合要求。

2.3 条件临界荷载的确定

结合室内试验测得的最大荷载PQ，根据数值模型计算结果，得到跨中荷载为PQ时裂缝尖端应力强度因子、横向拉应力、横向拉应变，根据室内试验结果的条件临界荷载如表4所示。

表4 条件临界荷载Table 4 Conditional critical loads

3 结果与分析

3.1 冻融作用对环氧沥青混凝土弯曲劲度模量的影响

根据室内试验得到的不同冻融循环次数下环氧沥青混凝土小梁三点弯曲试验过程中荷载-跨中位移曲线，计算不同冻融循环次数下环氧沥青混凝土的弯曲劲度模量，结果如图10所示。

由图10可以看出，伴随冻融重复次数增多，弯曲劲度模量下降，说明环氧沥青混凝土刚度逐渐减小，韧度逐渐增加。采用多项式拟合的函数关系如式(4)所示。

(4)

式(4)中：E为弯曲劲度模量,MPa；N为冻融循环次数，次，0≤N≤30。

图10 弯曲劲度模量与冻融循环次数关系曲线Fig.10 Curve of relationship between bending stiffness modulus and freeze-thaw cycles

当冻融重复作用在15次以下时，环氧沥青混凝土弯曲劲度模量下降的较为缓慢，弯曲劲度模量的冻融破坏值为22%。当冻融重复作用在15次以上时，其弯曲劲度模量下降幅度变大，冻融重复作用30次时，弯曲劲度模量的冻融破坏值为60%。

3.2 冻融作用对环氧沥青混凝土复合梁平面应变断裂韧度(KIC)的影响

现有研究通常将带裂纹构件的应力强度因子作为研究对象[17-19]，根据计算结果，7组冻融重复作用下复合梁三点弯曲试验过程中，达到条件临界荷载PQ时，裂缝尖端应力强度因子如图11所示。

图11 不同冻融循环次数的平面应变断裂韧度Fig.11 Plane strain fracture toughness

由图11可以看出，KIC随冻融重复次数的增加呈现先降低后升高的趋势，通过多项式拟合的函数关系，如式(5)所示。

(5)

当冻融重复作用在15次以下时，KIC下降得迅速非常快，冻融重复作用为15次时，KIC的冻融破坏值最高，达到37%。当冻融重复作用在15次以上时，KIC增高的幅度变大，这是因为冻融重复作用15次以上时，弯曲劲度模量快速下降引起其韧性变高，材料的韧度越大越难发生断裂。

3.3 冻融作用下带裂缝环氧沥青混凝土复合梁横向应力应变响应

“双层环氧”结构层破坏的首要因素是横向拉应力、拉应变大于材质所可以接受的破坏极限[20-21]，在钢桥面铺装时，一般采用横向拉应力、拉应变当成铺装构造的整体限定要求。各组冻融重复作用下环氧沥青混凝土裂痕尖端最大横向拉应力和最大横向拉应变的整理结果如图12所示。

图12 裂缝尖端最大横向拉应力和拉应变Fig.12 Maximum transverse tensile stress and strain at crack tip

由图12(a)可以看出，根据冻融重复作用的不断变多，最大横向拉应力先降低后升高，当达到15次时，环氧沥青混凝土破坏顶端的最大横向拉应力为最低，其冻融破坏值为46.2%。采用多项式拟合的函数关系如式(6)所示。

(6)

式(6)中：σ为极限拉应力，MPa；N为冻融循环次数，次。

由图12(b)可以看出，根据冻融重复作用的不断变多，最大横向拉应变先降低后升高。冻融重复作用20次以下时，其横向拉应变变化较小，当达到10次时，环氧沥青混凝土破坏顶端的横向拉应变为最低。采用多项式拟合的函数关系如式(7)所示。

(7)

式(7)中：ε为裂缝尖端最大横向拉应变，‰；N为冻融循环次数，次。

3.4 冻融作用下带裂缝环氧沥青混凝土复合梁层间黏结状况

钢桥面铺装环氧沥青黏结层可以防止铺装层之间和铺装-钢板间发生脱层病害[22-24]。由数值计算结果可知，环氧沥青混凝土复合梁三点弯曲试验过程中达到条件临界荷载PQ时，铺装层剪应力及铺装-钢板层间剪应力如图13所示。

图13 铺装层和铺装钢板层间剪应力示意图Fig.13 Pavement layers and steel plate interlaminar shear stress

由图13可以看出，铺装层间剪应力与铺装-钢板间层间剪应力随距中心位置距离的增大。在距离中心位置0.13 m处附近达到层间最大剪应力值，而铺装-钢板层间剪应力在距离中心位置0.11 m处附近达到层间最大剪应力值。由表5可以看出，铺装-钢板间层间最大剪应力大于铺装层层间最大剪应力，且铺装层层间最大剪应力均小于3 MPa，即带裂缝环氧沥青混凝土复合梁断裂不发生在环氧沥青黏结层。

表5 最大层间剪应力表Table 5 Maximum interlaminar shear stress

4 结论

(1)当冻融重复作用在15次以下时，环氧沥青混凝土弯曲劲度模量下降的较为缓慢，弯曲劲度模量的冻融破坏值为22%。当冻融重复作用在15次以上时，其弯曲劲度模量下降幅度变大，冻融重复作用30次时，弯曲劲度模量的冻融破坏值为60%。

(2)冻融作用KIC与裂缝尖端最大横向拉应力的影响分为两个阶段。第一阶段为当冻融循环次数15次以下时，随着冻融循环次数的增加，主要表现出抗裂性能的衰减；第二阶段为当冻融循环次数15次以上时，随着冻融循环次数的增加，主要表现为环氧沥青混凝土韧度的增大。

(3)根据冻融重复作用的不断变多，复合梁缝隙顶部的最大横向拉应变先降低后升高。冻融重复作用20次以下时，其复合梁缝隙顶部的横向拉应变变化较小，当达到10次时，复合梁破坏顶部的横向拉应变为最低。

(4)不同冻融重复作用下环氧沥青混凝土发生破坏延伸时，环氧沥青黏结层不发生断裂；铺装层层间剪应力与铺装-钢板间层间剪应力随距中心位置距离的增大。

研究对象为“双层环氧”铺装结构，除此之外钢桥面铺装常见的铺装结构还有“环氧沥青混凝土+沥青马蹄脂稳定碎石”“浇筑式沥青混凝土+沥青马蹄脂稳定碎石”和“浇筑式沥青混凝土+环氧沥青混凝土”等，冻融作用对其他钢桥面铺装结构断裂行为的影响尚需进一步研究。