断裂模式对沥青混凝土低温开裂特性的影响规律

陈海伟，王汉臣，师郡，任皎龙

(山东理工大学 建筑工程学院, 山东 淄博 255049)

温度对沥青混凝土的各项性能指标均产生影响，当温度处于零度以下时，沥青混凝土呈脆性或准脆性，极易开裂。因为修复开裂沥青路面或新的沥青混凝土层昂贵且耗时，所以有必要研究沥青路面的开裂机制以减缓整个沥青加铺层的裂缝发展。已有学者通过在零摄氏度以下对沥青材料施加应力强度因子研究了热拌沥青(HMA)混合物的断裂行为[1]。影响沥青路面开裂的因素有很多，如温度波动和车轮引起的交通荷载[2]。温度波动引起的裂纹往往产生于道路横向，其起裂几乎只与纯I型(拉伸型)裂纹扩展机制有关。文献[3]对自顶向下裂纹的研究表明，车轮传递的交通荷载可以使裂纹的扩展机制由纯I型向混合Ⅰ/Ⅱ型(拉伸和剪切模式)扩展；文献[4]的研究表明，反射裂纹中裂纹扩展也发生在模式Ⅰ和模式Ⅱ加载的组合下。以往对开裂沥青混凝土的试验研究大多集中在纯Ⅰ型裂纹扩展，对Ⅰ/Ⅱ混合型和纯Il型加载模式的研究非常有限[5]，如文献[6]使用LEFM研究了同一温度下沥青混凝土在Ⅰ型和Ⅱ型混合加载模式下的断裂行为。因此，开展一系列试验来研究沥青混凝土在纯Ⅰ型、纯Ⅱ型和混合Ⅰ/Ⅱ型荷载作用下的断裂行为是很有意义的。

本文主要研究静荷载条件下，环境温度和加载方式对热拌沥青混凝土抗断裂性能的影响。在不同荷载和温度条件下，对改进后的SCB试件进行断裂试验，以期研究沥青混凝土在不同加载模式和温度下的抗裂性和裂纹扩展规律。

1 试验方法与试验材料的选择

1.1 试验方法的选择

SCB试验具有操作方便、数据准确性高等优点[7-9]，因此本文对沥青混凝土的试验研究采用SCB试验方法，试验加载模式如图1所示，SCB试件各几何参数的物理意义见表1。

图1 SCB试件的加载模式

表1 SCB试件几何参数的物理意义

1.2 SCB试验加载模式的确定

本次试验通过减小Me来实现不同的断裂加载模式：Me=1为纯张拉(Ⅰ型)加载模式；Me=0为纯剪切(Ⅱ型)加载模式；0

(1)

式中：KⅠ为纯Ⅰ型应力强度因子；KⅡ为纯Ⅱ型应力强度因子。KⅠ、KⅡ计算公式如下：

(2)

(3)

式中：YⅠ为纯Ⅰ型的几何因子；YⅡ为纯Ⅱ型的几何因子。

通过查阅资料可知[10]，当40 mm≤tc≤50 mm时，SCB试验测试结果准确性较高，同时考虑到其他相关因素的影响，本文选用tc=50 mm,R=75 mm,a=25 mm,S1=30 mm,S2分别为45 mm、30 mm、20 mm、12 mm、6 mm。通过计算得到的SCB试件几何参数为：S1/R=0.4、S2/R=0.6(0.4、0.267、0.16、0.08)，通过分析试验几何参数与几何因子的关系[11]，可得到试件的几何因子，从而计算SCB试件的混合参数，计算结果见表2。

表2 SCB试件的几何参数和几何因子

1.3 材料组成设计

1.3.1 原材料

根据沥青混合料路用性能[12]，本试验采用A级中海70#沥青，沥青结合料和各级集料(粗集料、细集料、矿粉)的技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。

1.3.2 矿料级配

本文采用旋转压实仪(superpave gyration compactor, SGC)制备试件，以AC-16混合料为研究对象，其级配曲线如图2所示。

2 室内试验数据与分析

2.1 室内试验数据

SCB试件断裂效果图如图3所示，试验数据见表3。

图3 SCB试件断裂效果图

2.2 试验数据分析

2.2.1 加载模式和温度对沥青混凝土抗裂性的影响

断裂韧度随温度和加载模式的变化规律如图4所示。由图4可得到如下结论：

图4 断裂韧度

1)沥青混凝土的抗断裂性在从纯Ⅰ型向纯Ⅱ型模式转变过程中(即减小Me)，总是呈现先减小后增大的趋势。通过图像可以看出，在不同温度条件下，只要在裂缝尖端加入轻微的剪切变形(即Me=0.8)，沥青混凝土的抗断裂性就会显著降低，使得断裂韧度在该加载条件下出现最小值。试验结果表明，在裂纹尖端施加剪切荷载可以显著降低沥青混凝土的断裂韧度，尤其是Me=0.8时。

表3 SCB 试验结果

2)在不同加载模式下，通过分析对比沥青混凝土的抗断裂性发现：随着温度的升高，沥青混凝土的断裂韧度不断降低，且沥青混凝土的这一特性不随加载模式的变化而变化。值得注意的是，无论加载模式是纯Ⅰ型、纯Ⅱ型还是混合Ⅰ/Ⅱ型，当温度为-15 ℃和-5 ℃时，沥青混凝土的断裂韧度相差较大，而当温度为0 ℃和10 ℃时，沥青混凝土的断裂韧度相差较小。由此可知，在低温条件下，温度是影响沥青混凝土抗断裂性能的主要因素。

3)在纯剪切荷载和纯张拉荷载加载条件下，通过比较沥青混凝土的断裂韧度可以发现，在大多数情况下沥青混凝土在纯Ⅱ型加载模式下的抗裂能力要高于纯Ⅰ型加载模式下的抗裂能力。

4)在-15 ℃、-5 ℃、0 ℃和10 ℃的温度条件下，通过计算比较3种混合加载模式下的断裂韧度(混合型0.8、混合型0.5、混合型0.2)与I(II)型断裂模式下的断裂韧度的平均比例发现：相比于纯Ⅰ型和纯Ⅱ型，沥青混凝土在混合加载模式下出现裂缝的几率更大。特别是当Me=0.8时，混合型0.8的断裂韧度与I(II)型断裂模式的断裂韧度的平均比例最大，说明此时沥青混凝土的抗断裂性最差，最容易出现裂缝。因此，采用混合加载模式下的断裂韧度来评价沥青混凝土的抗裂性能够更好地保证评价结果的准确性。

2.2.2 加载模式和温度对沥青混凝土裂纹扩展规律的影响

在集料、砂浆和集料-砂浆界面，裂缝长度受温度和加载模式的影响如图5—图7所示。由图5—图7可得到如下结论：

图5 集料中的裂缝长度

图6 砂浆中的裂缝长度

图7 集料-砂浆界面中的裂缝长度

1)通过观察SCB试件在不同温度和加载模式下的断裂形态发现：对于纯I型断裂试验，裂纹扩展路径几乎是沿预裂线的直线扩展，而对于混合I/Ⅱ和纯Ⅱ型断裂试验，裂纹扩展路径是曲线扩展；裂纹扩展与预设裂缝成一定角度，随着剪切荷载占比的增加(或Me的减小)，角度增大。

2)在同一加载模式下，当温度高于-5 ℃时，随着温度的逐渐升高，集料中的裂缝长度逐渐缩短，砂浆中和集料-砂浆界面中的裂缝长度逐渐变长，特别是当温度由-5 ℃升高到10 ℃时，这种变化尤为明显。由此可以表明，裂缝在集料、砂浆和集料-砂浆界面的长度变化受温度影响并且这种影响与材料的特性有关。

3)当温度为-15 ℃、-5 ℃时，裂缝在集料、砂浆、集料-砂浆界面的长度近乎相等；当温度为0 ℃时，砂浆、集料-砂浆界面中的裂缝长度增长，集料中的裂缝长度缩短；当温度为10 ℃时，裂缝主要出现在砂浆、集料-砂浆界面。通过分析可以发现，当温度高于-5 ℃时，随着温度的升高，裂缝在集料中、砂浆中和集料-砂浆界面中的长度分布出现明显变化，裂缝逐渐向砂浆中和集料-砂浆界面中集中。

4)沥青混凝土从纯Ⅰ型向纯Ⅱ型转变(即减小Me)过程中，温度为-15 ℃、-5 ℃时，裂缝在集料、砂浆和集料-砂浆界面的长度变化无明显规律；温度为0 ℃、10 ℃时，裂缝在集料中、砂浆中和集料-砂浆界面中的长度逐渐增长，特别是在砂浆和集料-砂浆界面的变化尤为明显。由此可以表明，当温度不低于0 ℃时，沥青混凝土抵抗纯剪切荷载的能力较弱，抵抗纯拉伸荷载的能力较强。

5)在I/II型混合加载模式下，混合型0.8在集料中产生的裂缝长度最长，在砂浆中和集料-砂浆界面中产生的裂缝长度最短；混合型0.2在集料中产生的裂缝长度最短，在砂浆中和集料-砂浆界面中产生的裂缝长度最长；混合型0.5在集料中、砂浆中和集料-砂浆界面中产生的裂缝长度始终居中。也就是说，随着剪切荷载占比的增加，集料中的裂缝长度逐渐缩短，砂浆中和集料-砂浆界面中的裂缝长度逐渐增长。由此可以表明，沥青混凝土内各材料特性存在差异，集料抵抗张拉荷载的能力较弱，砂浆抵抗剪切荷载的能力较弱，因此可以根据沥青混凝土组成材料的不同特性来研究新型的改性沥青。

3 结论

本文采用改进的含不对称垂直边缘裂缝的SCB试件对不同加载模式(Me=1、0.8、0.5、0.2和0)和不同温度(-15 ℃、-5 ℃、0 ℃和10 ℃)的沥青混凝土试件进行了断裂试验，以此评价沥青混凝土的断裂特性，结论如下：

1)对于纯I型断裂试验，裂纹扩展路径几乎是沿预裂线的直线扩展；而对于混合I/ll型和纯Il型断裂试验，裂纹扩展路径是曲线扩展，裂纹扩展与预设裂缝成一定角度，随着剪切荷载占比的增加(或Me的减小)，角度增大。

2)沥青混凝土的抗断裂性在从纯Ⅰ型向纯Ⅱ型转变过程中(即减小Me)，呈现先减小后增大的趋势。特别是当Me=0.8时，混合型0.8的断裂韧度与I(II)型断裂模式的断裂韧度的平均比例最大，沥青混凝土的抗断裂性最差，最容易出现裂缝。因此，应该采用混合加载模式下的断裂韧度来评价沥青混凝土的抗裂性能，以保证评价结果的准确性。

3)裂缝在集料、砂浆和集料-砂浆界面的长度变化受温度影响，当温度高于-5 ℃时，随着温度的升高，裂缝在集料、砂浆和集料-砂浆界面中的长度分布出现明显变化，裂缝逐渐向砂浆和集料-砂浆界面集中。

4)通过分析3种混合型(混合型0.8、混合型0.5和混合型0.2)在集料、砂浆和集料-砂浆界面中裂缝长度的变化发现，沥青混凝土内各材料特性存在差异：集料抵抗张拉荷载的能力较弱，砂浆抵抗剪切荷载的能力较弱，因此可以根据沥青混凝土组成材料的不同特性来研究新型的改性沥青。