水温环境作用下沥青裂缝修补组合结构抗压性能研究

左中和，杨 雁

（中南林业科技大学土木工程学院，湖南长沙 410004）

0 引言

沥青混凝土（Asphalt Concrete, AC）路面具有表面平整、耐磨性能好、强度高以及无缝等优点，在我国公路基础工程建设中受到广泛应用。沥青混凝土通常铺筑于沥青路面的面层，在长期车辆荷载和自然环境的作用下，极易产生不同形态的裂缝[1]。为了延长沥青路面的使用寿命，在实际工程维护中通常会向沥青裂缝中注入修补材料，并使其以裂缝修补组合结构的形式继续工作。水温环境会加速沥青混凝土路面老化[2-3]，裂缝修补组合结构存在修补材料与沥青混凝土之间的界面过渡区，其受水-热耦合作用下极易产生二次破坏。因此，探明不同水温环境作用下沥青混凝土裂缝修补组合结构的性能衰变规律，对提升沥青混凝土路面的裂缝修补效果、延长道路的寿命具有重大意义。

本试验选用环氧树脂胶和环氧丙烯酸酯/聚氨酯互穿聚合物网络（EA/PUIPN）分别对竖向裂缝和V 型裂缝进行修补，并针对30℃、40℃、50℃、60℃四种水温环境作用，研究了不同水温环境作用下AC 裂缝修补组合结构抗压性能的变化规律，并建立了其Logistic 损伤预测模型。

1 试验

1.1 试验原材料

1.1.1 沥青混凝土基体

沥青采用道路改性沥青，型号为路翔SBS（1-D），粗集料为花岗岩碎石，细集料为河沙，填料为石灰石矿粉和消石灰粉，沥青混合料石油比为5.1%，集料级配如表1 所示。

表1 集料级配

1.1.2 裂缝修补材料

环氧树脂胶采用德意生产的E44 型环氧树脂AB胶，环氧树脂与固化剂的比例为1:1；EA/PU IPN 修补材料各成分质量比为环氧丙烯酸酯100%，聚氨酯50%，稀释剂70%，引发剂5%，促进剂5%，交联剂25.8%。

1.2 试验方法

1.2.1 试件成型

本试验参照标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的T0703—2011 和T0714—1993，制作出40mm×40mm×80mm 的基准试件，将基准试件沿高度方向从中切开，分别模拟6mm 宽的垂直裂缝和V 型裂缝，待试件干燥后将两种修补材料灌入模拟裂缝中。待修补材料固化后，养护7d，获得裂缝修补组合结构单轴抗压试件，并将试件按修补材料与裂缝形态分别编号为EP-H、EP-V、EA-H、EA-V。

1.2.2 水温环境模拟

先对试件进行真空饱水处理，使试件饱水；将试件浸泡于水中，并置于真空箱内，使真空箱在97.3kPa 的真空度下保持15min，完成真空饱水处理；取出饱水试件，将其放入已达设定温度的恒温水浴锅中，恒温48h，并分别设定水温为30℃、40℃、50℃和60℃。

1.2.3 单轴抗压试验

单轴压缩试验基于标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的T0714—1993 沥青混合料单轴压缩试验（棱柱体法）方法进行，试验仪器为CMT 5105 型万能试验机。试验步骤为：将经水温环境模拟后的基准试件和修补组合结构试件置于试验机台座上，上下各垫一张薄聚四氟乙烯薄膜，荷载的加载速率设定为50mm/min。为保障测试数据的准确性，每组至少备有3 个平行试件，且试件从模拟环境中取出直至破坏不得超过45s。

2 结果与分析

2.1 抗压性能

在不同水温环境作用下，基准试件和各裂缝修补组合结构试件的单轴压缩测试结果如图1 和图2 所示。

图1 不同水温环境作用下裂缝修补组合结构试件抗压强度

图2 不同水温环境作用下裂缝修补组合结构试件压缩破坏劲度模量

由图1 和图2 可以发现，水温环境因素对沥青裂缝修补组合结构试件的抗压性能影响非常明显。各试件的抗压强度与压缩破坏劲度模量均随水温的升高而降低，环氧树脂裂缝修补组合结构的抗压性能下降幅度较大，而EA/PU IPN 修补组合结构的抗压性能下降趋势与基准试件较为接近。在各水温环境下，环氧树脂裂缝修补组合结构试件的抗压性能均要优于基准试件和EA/PU IPN 修补组合结构试件。

对比同种修补材料下不同裂缝形态试件的抗压性能可以发现，EP-H 与EP-V 在各温度下的抗压强度与压缩破坏劲度模量相差较大，而两种EA/PU IPN 修补组合结构试件的性能则较为相近，这是因为在进行裂缝修补时，EA/PU IPN 修补材料的流动性要优于环氧树脂胶，其能渗入V 型裂缝的底端填补细小的空隙，使得整个裂缝与修补材料之间黏结更为充分，而针对环氧树脂胶流动性差的问题，可以考虑添加适量稀释剂，改善其流动性能。

2.2 损伤度分析

本文引入损伤度来描述不同水温作用下裂缝修补组合结构抗压性能的变化规律，其公式如下。

式中：In——在n℃水温条件下试件的抗压强度或压缩破坏劲度模量；I30——试件的抗压强度和压缩破坏劲度模量初始值，初始水温为30℃。

基于图1 和图2 的数据，分别计算出各水温环境作用下各试件的抗压强度损伤度和压缩破坏劲度模量损伤度曲线，见图3、图4。

图3 不同水温环境作用下裂缝修补组合结构试件抗压强度损伤度

由图3、图4 可知，随着水温的升高，各试件的抗压强度损伤度与压缩劲度模量损伤度均呈上升趋势。当水温在40℃时，基准试件的抗压强度和压缩破坏劲度模量损伤度最大；当水温由40℃上升至50℃时，基准试件和两种环氧树脂胶修补组合结构试件的抗压性能损伤度增长趋势较为平缓，而EA/PUIPN 裂缝修补组合结构试件的损伤度增长幅度最大；当水温达到60℃，各裂缝修补组合结构试件损伤度均已超过基准试件，其中EA-V 试件的损伤度最大，其抗压强度损伤度高达62.67%，压缩破坏劲度模量损伤度为68.4%。

图4 不同水温环境作用下裂缝修补组合结构试件压缩破坏劲度模量损伤度

2.3 损伤度预测模型

本文拟以水环境温度为自变量，以试件的抗压强度损伤度为因变量建立Logistic 损伤度预测模型，计算公式如下。

式中：D——抗压强度损伤度；t——模拟环境水温；a、b、t、ρ——待估参数，其中a——回归曲线初值；b——回归曲线终值。

基于图1 和图2 的试验结果，并结合式（1），建立不同水温环境下裂缝修补组合结构抗压强度损伤度预测模型，各试件的拟合公式见表2，其拟合曲线见图5和图6。

图5 垂直裂缝修补组合结构试件抗压强度损伤度Logistic 拟合图

图6 V 型裂缝修补组合结构抗压强度损伤度Logistic 拟合图

表2 不同水温环境下裂缝修补组合结构抗压强度损伤度预测模型

由表2 可知，各裂缝修补组合结构试件在不同水温环境作用下，Logistic 模型的拟合曲线与各试件的抗压强度实测曲线基本一致，四条拟合曲线的R2 均在0.97 以上。

3 结语

（1）水温环境对裂缝修补组合结构的抗压性能影响较大，各裂缝修补组合结构试件的抗压强度与压缩破坏劲度模量均随水温的升高而降低。

（2）基准试件与四种裂缝修补组合结构的抗压性能损伤度均随水温的升高而上升，其中EA/PUIPN 修补组合结构试件的性能损伤度增长幅度最大。

（3）Logistic 模型能准确地反映出各裂缝修补组合结构在受不同水温环境影响中的抗压强度的损伤度规律。