冻融作用对不同级配沥青路面表面裂缝的扩展影响

杨 林 宋玉鑫

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



冻融作用对不同级配沥青路面表面裂缝的扩展影响

杨 林 宋玉鑫

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

基于线弹性断裂力学相关理论，采用有限元软件，建立了含裂缝的沥青路面二维有限元模型，研究了冰劈效应下不同裂缝宽度、深度、长度对应力强度因子的影响，结果表明：应力强度因子随裂缝宽度的增大先增加后降低，随着裂缝深度的增加先增加后逐渐变缓，随裂缝长度的增加而缓慢增加。

冰劈效应，有限元模型，应力强度因子，裂缝

裂缝作为一种沥青路面早期的破坏现象，受多种因素影响，其中环境温度的影响巨大。特别是北方的季冻区昼夜温差变化大，沥青路面表面裂缝内的积水受温度影响发生冻融现象，而水结冰时体积变大，产生较大的冻胀力，使得裂缝扩展。以往关于沥青路面裂缝的研究，大部分是基于温度与车辆荷载作用下的开裂行为研究，且取得了一定的研究成果。王金昌等[1]建立了含有反射裂缝的层状路面体有限元模型，对疲劳变温进行了有限元分析,并提出了预测路面疲劳寿命的方法；David等[2]利用有限元软件对不同材料参数的沥青混凝土的温缩开裂进行了研究；毛成等[3]针对交通与温度载荷下的沥青路面裂纹扩展路径进行了有限元分析。赵延庆等[4]用断裂力学对沥青路面Top-Down裂缝进行了分析，得出了张开型应力强度因子和剪切型应力强度因子的峰值随着裂缝深度增加和温度降低而增加的结论。赵岩荆等[5]研究了在冰劈效应、温缩效应及二者结合作用下沥青路表裂缝的扩展规律及相互之间的Pearson相关系数。

本文主要通过实验测得不同级配沥青混合料的力学参数，并以线弹性断裂力学为基础，利用有限元软件建立考虑冰劈效应的二维模型，计算分析不同裂缝宽度、深度、长度对第一主应力和强度因子的影响，从而对不同级配的沥青混凝土的早期裂缝的处置措施提出建议。

1 确定材料参数

沥青混凝土的抗压回弹模量作为影响其应力强度因子的主要因素之一，可以通过实验测得。

1.1 实验原材料及配合比

实验采用了山东金石生产的70号A沥青；青冈石料场生产的碎石和河北廊坊矿粉厂生产的矿粉，根据规范进行检验，各项指标满足规范要求。

集料级配，试验采用AC-13,AC-20和AC-25型3种沥青混合料，根据规范推荐范围进行级配设计，3种混合料采用级配曲线如图1所示，其中AC-13为细型密级配(F型)，AC-20和AC-25为粗型密级配(C型)。

通过马歇尔试验确定沥青最佳用量，分别为AC-13：4.6%,AC-20：4.5%,AC-25：3.8%。

1.2 结构参数

采用静压法制备三种级配圆柱形沥青混合料试件，进行单轴压缩试验测定其抗压回弹模量。首先用抗压强度试验获得三种级配的破坏荷载值，再将破坏荷载均分成10级，把前7级作为测定抗压回弹模量的试验荷载，取6个试件为一组，试验温度为室温20 ℃，将试验结果取平均值如表1所示，取规范推荐的泊松比值0.35，厚度为15 cm。

表1 抗压回弹模量实验结果 MPa

其他路面结构参数参考相关文献及设计规范，各层材料参数如表2所示。

表2 路面结构参数

2 有限元模型的建立与分析

2.1 有限元计算模型的建立

由于路面的深度和纵向方向无限大，而有限元软件只能建立有限的模型，根据相关文献资料，确定有限元模型的尺寸为长度10 m×深度5 m。边界设置水平X方向位移固定为零，土基底面边界固定。

由于裂缝尖端的应力应变具有奇异性，所以采用平面8节点奇异单元对裂缝尖端进行网格划分，查阅相关资料，将模型裂缝尖端角度设为70°[6]。

本文主要研究冻融作用产生的冰劈效应对裂缝的扩展影响，将冰劈效应转化为冰劈荷载，垂直分布于裂缝表面[7]，其破环形式属于I型裂缝，如图2所示。

2.2 裂缝宽度的影响

裂缝的结构尺寸是影响裂缝尖端应力强度因子的重要指标之一，采用ABAQUS有限元软件建立半无限板模型，裂缝宽度取1 mm～15 mm，长度和深度为9 cm，假设缝内充满积水，整理结果如图3所示。

由图3可以看出：1)随着裂缝宽度的逐渐增加三种级配沥青混合料的应力强度因子先增大后减小，原因是裂缝宽度增加积水量增大，冰劈效应就更加明显，而当裂缝宽度增加到一定值时，由于路面材料限制裂缝的扩展而导致裂缝尖端应力降低；2)细型密级配AC-13的应力强度因子明显高于粗型密级配AC-20和AC-25，原因是细型密级配的沥青混合料的抗压回弹模量大，对冻融循环产生的冰劈效应更加敏感，较小的裂缝宽度，就能产生较大的应力强度因子，因此对于细型密级配的沥青混合料路面表面裂缝的处置，应比粗型密级配的沥青混凝土更加提前，以避免路面破坏带来的经济损失和生命安全问题。

2.3 裂缝深度的影响

裂缝深度对应力强度因子的影响也体现在改变裂缝内积水的体积变化，模型采用的裂缝深度为1 cm～15 cm，计算分析时假定缝内积水充足，裂缝宽度4 mm，长9 cm，整理结果如图4所示。

由图4可以得出：1)随着裂缝深度的增加三种级配沥青混凝土的应力强度因子逐渐增加，增长速度先快后慢，初期裂缝深度增加，缝内积水量变大，冰劈效应明显，应力强度因子增长迅速，特别是在裂缝深度2 cm以下时，随着裂缝深度的加大，路面材料和基层对裂缝扩展产生抵制作用，故应力强度因子增长速度变缓。2)细型密级配AC-13型沥青混凝土由于材料之间孔隙小，分子之间约束力大，故有较大的抗压回弹模量大，所以裂缝内少许的水即可产生较大冰劈效应，故细型密级配AC-13的应力强度因子比粗型密级配AC-20和AC-25在初期增长速度更快。

2.4 裂缝长度的影响

裂缝内积水体积也会因为裂缝的长度变化而变化，从而影响裂缝的扩展，将裂缝长度设为1 cm～15 cm，裂缝宽度4 mm，深度与长度相等，有限元软件分析结果如图5所示。

由图5可以看出：随着裂缝长度的增加，三种级配沥青混凝土裂缝尖端的应力强度因子先增加后逐渐减小，而且总变化幅度不是很大，这是因为初期裂缝宽度增加，裂缝内部积水体积增加，故应力强度因子增大，但随着裂缝长度的增加，裂缝尖端距离道路基层越小，由于基层对面层的约束作用，使得冰劈效应效果减弱，故应力强度因子逐渐减小。

3 考虑冰劈效应的裂缝预防性养护

裂缝是沥青路面不可避免的病害之一，为减轻由于冻融作用产生的冰劈效应对沥青路面裂缝的扩展影响，需要对沥青路面早期裂缝进行预防性养护。

1)完善道路排水设施，减少路面积水。路面积水会深入路表裂缝中，在寒冷季节，冻融作用会产生较大的冰劈效应，使得裂缝扩展，故在设计路面结构时，路面排水设计应符合设计要求，保证路表积水及时排出，减少冻融作用带来的危害。

2)选择高抗裂性的沥青路面材料。高抗裂性的沥青路面材料能减少路面的裂缝，有效的防止积水进入路表裂缝，从源头上减轻了冰劈效应的影响。

3)修订路面设计规范，提高路面设计指标。现行的道路设计规范不足以满足急剧增加的交通量和违规超载行为对沥青路面的破坏现象，必须提高设计指标，来减缓沥青路面裂缝的出现。

4)对沥青路面表面裂缝进行灌缝处理。采用掺如极性高分子聚合物的改性沥青制成的冬季沥青路面裂缝修复剂进行灌缝处理。此材料的颗粒细度小，能够很好的渗入裂缝深处，而且极性高分子聚合物能使老化的裂缝边缘再生和还原，从而有效的避免冻融作用对沥青路面表面裂缝的破坏。

4 结语

1)通过实验测得三种级配沥青混凝土的抗压回弹模量，细型密级配AC-13具有较高的抗压能力。

2)通过ABAQUS有限元软件分析得出三种级配的沥青混凝土裂缝尖端应力强度因子随着裂缝的宽度和长度的增加而先增加后降低，裂缝长度对应力强度因子影响不是很明显。

3)细型密级配AC-13沥青混凝土冻融作用产生的冰劈效应更加明显，应力强度因子受裂缝宽度、长度、深度的影响更大，较小的变化就能产生较大的应力强度因子，故对于此类级配的沥青混凝土路面的裂缝处理应早于粗型密级配的沥青混凝土路面。

[1] 王金昌,赵颖华,孙雅珍.沥青混凝土路面表面裂缝的疲劳变温损伤分析[J].中国公路学报,2001,14(2):6-8.

[2] Dave,E.,Leon,S., Park,K..Thermal Cracking Prediction Model and Software for Asphalt Pavements[A].Transportation and Development Institute Congress[C].2011:667-676.

[3] 毛 成,邱延峻,李云鹏.沥青路面裂纹扩展数值模拟及影响因素分析[J].重庆交通学院学报,2006,25(3):36-39.

[4] 赵延庆,王抒红,周 红，等.沥青路面Top-Down裂缝的断裂力学分析[J].同济大学学报(自然科学版),2010,38(2):218-222.

[5] 赵岩荆,倪富健.冰劈效应对沥青路面表面裂缝的影响性分析[J].公路交通科技,2011(4):24-30.

[6] 卢 玲，魏 翔.考虑冰劈效应的沥青路面开裂研究[D].大连：大连海事大学,2013.

[7] 杨 林,李贵祥.考虑冰劈效应的裂缝应力强度因子分析[J].山西建筑,2015，41(22):142-144.

[8] 徐真真,朱 彬,宋 瀛,等.冰劈效应对沥青路面表面裂纹的影响研究[J].华东公路,2015(1):84-87.

Expansion influence of freezing-thawing action upon various-grading asphalt pavement surface cracks

Yang Lin Song Yuxin

(CollegeofCivilEngineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150040,China)

Based on linear-elastic fracture mechanics theory, the paper studies the influence of different crack width, depth and length upon stress intensity factor under ice-splitting effect. Results show that: stress intensity factor will first increase and then reduce with crack width increasing, will first increase and then decrease with crack depth increasing, and will slowly increase with crack length increasing as well.

ice-splitting effect, finite element model, stress intensity factor, crack

1009-6825(2017)09-0118-03

2017-01-13

杨 林(1970- )，男，博士，副教授； 宋玉鑫(1991- ),男，在读硕士

U416.217

A