碳纤维发热电缆-玻纤格栅对沥青混凝土抗裂性能的影响*

赵亚军 ， 冀晨宇 ， 李桂祥

（1.河北工程大学 土木工程学院， 河北 邯郸056038；2.河北工程大学 力学实验教学示范中心， 河北 邯郸056038）

0 引言

碳纤维发热电缆是一种高效、 节能的发热材料， 与沥青混合料协同工作性能较好， 近年来其用于路面除冰雪已成为国内外学者研究的热点［1，3］。 然而， 现有研究多数在于分析影响碳纤维发热电缆升温性能的因素［4］， 关于沥青路面中埋置碳纤维发热电缆后对路面力学性能影响的报道相对匮乏。 玻纤格栅是一种新型土工材料， 具有延伸率低、 强度高、 抗变形能力大等优点， 在沥青路面中应用日益增多， 研究表明： 玻纤格栅可提高沥青路面疲劳寿命、 抗车辙能力、 抗裂性能等［5-8］。

为提高碳纤维发热电缆的铺设效率与沥青路面的抗裂性能， 将玻纤格栅与碳纤维发热电缆组合应用， 通过半圆弯拉 （SCB） 试验， 利用数字图像相关技术， 对内置碳纤维发热电缆、碳纤维发热电缆-玻纤格栅组合结构的沥青混凝土试件进行抗拉试验， 并用ABAQUS 模拟热力耦合作用下的路面结构， 分析升温性能和抗车辙能力。

1 试验

1.1 材料

试验中采用山东泰安某工程材料厂家生产的EGA50-50 玻纤格栅， 玻纤格栅技术指标见表1；选用常用的AC-13 型级配作为试验级配， 沥青技术指标见表2， 级配组成见表3， 计算得到最佳油石比为4.5%； 碳纤维发热电缆长度为9.2 m／根，直径5.2 mm， 输入功率20 W／m， 外包材料为聚四氟乙烯＋聚氯乙烯＋聚乙烯。

表1 玻纤格栅技术指标Table 1 Technical specifications of glass fibre grating

表2 沥青技术指标表Table 2 Technical specifications of asphalt

表3 AC-13 沥青混合料级配Table 3 AC-13 asphalt mixture grading ／%

1.2 试验测试方法

半圆试件制备方法如图1 所示， 试件厚度47.5 mm。 为模拟结构实际存在的缺陷和损伤形成的裂缝， 底边中点预切口深度为1 cm。 碳纤维发热电缆或碳纤维发热电缆-玻纤格栅组合结构埋在SCB 试件的中部。 利用万能试验机加载试件， 加载速率2 mm／min， 试验温度25 ℃。 采用CCD 工业相机采集图像， 采集频率为2 s／flag， 加载装置如图2 所示。 为方便后文叙述， 将仅埋设碳纤维发热电缆的试件命名为CHC （Carbon fiber heating cable， CHC）， 埋设碳纤维发热电缆-玻纤格栅组合结构的试件命名为CHG （Carbon fiber heating cable-glass fiber grille， CHG）。

图1 半圆试件制备示意图Fig.1 Schematic diagram of preparation of semicircular specimen

图2 半圆抗拉试验Fig.2 Semicircular tensile test

2 试验结果分析与讨论

2.1 横向抗拉应变云图

图3 为不同结构沥青混凝土在达到最大承载力时的横向应变云图。 由图3 可知， 达到最大承载力时， 三种结构沥青混凝土最大应变值皆位于裂缝尖端处。 其中， 基质沥青混凝土最大应变为0.05， CHC 结构最大应变为0.04， CHG 结构最大应变为0.035。 并且CHG 结构应力集中的范围较小。

图3 不同结构沥青混凝土横向应变云图Fig.3 Transverse strain clouds for different structures of asphalt concrete

图4 为不同结构沥青混凝土横向极限拉伸应变云图。 由图4 可知， 基质沥青混凝土极限拉伸应变为0.25， CHC 结构极限拉伸应变为0.18，CHG 结构极限拉伸应变为0.5。 结合半圆灰度图像（图5）， 三种结构裂纹面的扩展路径均近似呈贯穿型直线上升。

图4 不同结构沥青混凝土极限拉伸应变云图Fig.4 Cloud of ultimate tensile strains in asphalt concrete of different structures

图5 不同结构沥青混凝土破坏灰度图像Fig.5 Grayscale images of asphalt concrete damage of different structures

2.2 荷载-CMOD 曲线分析

采用数字图像相关技术对CMOD 进行实时测试， 结果如图6 所示。 分析可知， 荷载-CMOD 曲线大致可以分为以下3 个阶段： 裂缝不扩展阶段（OA）、 裂缝稳定扩展阶段（AB） 和裂缝失稳扩展阶段（BC）。 OA 段发生在加载初期， 该阶段荷载较小， 曲线变化趋势接近直线， 3 种不同结构的沥青混凝土CMOD 基本重合， 此时荷载主要由沥青基体承担。 到达拐点A 点后， 随着荷载不断增大， 曲线曲率开始降低， 荷载与CMOD 之间的关系由线性转变为非线性， 试件刚度逐渐下降。 在此期间， 在相同力的情况下， CHG 结构CMOD 最大， 基质沥青次之， CHC 结构CMOD 最小。

图6 不同结构沥青混凝土CMODFig.6 CMOD for asphalt concrete of different structures

对于CHG 结构， 此时的荷载由沥青基体和组合结构共同承担， 二者的加筋作用提高了沥青混凝土抵抗开裂的能力。 而对于CHC 结构， 发热电缆的加筋作用无法完全弥补埋设电缆时带来的缺陷， 将加速裂缝扩展。 随着荷载进一步增大，CMOD 也逐渐增加， 直至达到峰值荷载， 荷载-CMOD 曲线出现第二个拐点B， 此时CHG 结构的CMOD 明显高于基质沥青和CHC 结构。 在此之后，裂缝进入失稳扩展阶段， 荷载开始下降， CMOD变化明显加快。 与其余两种结构相比， CHG 结构的混凝土曲线下降段较为平缓， 且具有更高的峰后持荷能力。 说明组合结构不仅有效提高了沥青混凝土的延性， 在试件开裂后， 还能使沥青混凝土保持较高的承载力。

CHC 结构和CHG 结构的破坏情况如图7 所示， CHG 结构的玻纤格栅横向纤维束被拉断。 两种结构的碳纤维发热电缆均被拔出， 并且发热电缆外皮皮质软， 强度低， 最终导致脱落。

图7 CHC、 CHG 结构沥青混凝土破坏情况Fig.7 Damage to CHC and CHG structural asphalt concrete

2.3 断裂能、 断裂韧性

断裂能和断裂韧性是从不同角度衡量材料抵抗裂纹扩展能力的指标， 具有重要理论和实际意义。

单位面积中形成断裂区需要消耗的能量值为断裂能， 图8 中CHG 结构的荷载-挠度曲线与坐标轴围成的阴影部分面积就是断裂能的大小［9］。

图8 CHG 结构的力-位移曲线Fig.8 Force-displacement curves for CHG structures

弹塑性条件下， 当应力强度因子K增大到某一临界值KIC时， 裂缝会发生失稳扩展，KIC称为断裂韧度［10］。

式中：KIC为试件的断裂韧性， N／mm1.5；σmax为试件最大抗拉强度， N／mm2； w 为试件宽度， mm。

断裂能、 断裂韧性变化规律见表4。

表4 不同组合结构的断裂能、 断裂韧性及其增益比Table 4 Fracture energy， fracture toughness and their gain ratios for different combinations of structures

从表4 可得， 加入玻纤格栅后， 沥青混凝土断裂能和断裂韧性显著提高， 其中断裂能提高的最为明显， 增益比达到1.21。 而CHC 结构的断裂能和断裂韧性与基质沥青相比， 降低了10%左右。

2.4 不同结构沥青混凝土断裂机理分析

对于CHC 结构， 在加载前期发热电缆对沥青混凝土起到加筋作用， 可在一定程度上削弱应力集中。 但是加入发热电缆类似于实际工程的“开槽效应”。 随着荷载不断增大， 发热电缆本身的材质和“开槽效应” 给混凝土带来的不利影响逐渐占据主导地位， 降低了混凝土的延性， 抵消了发热电缆的加筋作用给沥青混凝土带来的断裂消耗能量的提高。

对于CHG 结构， 高强度的玻纤格栅与上部电缆共同对沥青混凝土起到加筋增韧作用， 这种加筋作用在抵抗裂缝发展过程时需要消耗大量能量，因此， 断裂能得到了提升。 随着加载力不断增大，玻纤格栅提高了试样横向拉伸强度， 使得破坏拉伸应变显著增大， 有效提高沥青混凝土的破坏延性， 抑制裂缝开裂， 增大了失稳断裂韧度。 并且格栅网格相互间格栅条可以分散所受到的拉应力，降低一部分应力集中。

加入发热电缆不仅具有“开槽效应”， 还将沥青混凝土整体分为上、 下两层。 这种分层作用降低了沥青混凝土上下面层的接触面积， 降低沥青混凝土的整体稳定性， 进一步减弱混凝土的抗裂性能。 碳纤维发热电缆-玻纤格栅组合结构虽然同样具有分层作用， 但是玻纤格栅表面粗糙程度大，增加了网格和集料之间的包裹力， 让集料充分嵌入网孔中， 形成机械嵌锁（如图9）， 限制集料运动， 有效约束混凝土变形， 提高结合面处沥青混合料的稳定性。 荷载施加过程中， 部分荷载做的功将被格栅网格的嵌锁作用所吸收， 因此增大了混凝土断裂过程中消耗的总能量， 提高沥青混凝土抗裂性能， 抑制裂缝发展。

图9 格栅网格对集料的作用机理Fig.9 Mechanism of the action of the grid on the aggregates

3 路面结构数值模拟

3.1 有限元建模

采用ABAQUS 有限元分析软件， 建立路面结构的数值模型， 如图10 所示。 模拟在加热过程中路面的温度场变化情况和车辙变化情况。

图10 路面结构剖面图Fig.10 Section of pavement structure

图11 车辆荷载简化Fig.11 Simplification of vehicle load

建模方法如下：

（1） 分析分为两步。 第一步为温度-位移耦合分析步， 主要考虑碳纤维发热电缆升温作用； 第二步为粘性分析步， 主要考虑车辆荷载的作用。玻纤格栅仅考虑力学性能， 不考虑传热性能。 材料热力学参数和力学参数见表5 ～表6。 其中， 沥青面层为黏弹性， 采用Prony 级数表示［11］。 基层和土基只考虑弹性性质， 不受温度影响。

（2） 路面整体初始温度和环境温度均为-5 ℃，风速为3 m／s， 铺装功率为300 W／m2。

（3） 将双圆均布荷载P＝100 kN 简化成2 个尺寸为18.6 cm×19.2 cm 的矩形， 中心间距为31.4 cm， 轮胎接地压力p为0.7 MPa［12，13］。

采取“以静代动” 的方法， 第二步时长设置为荷载累计作用时间， 荷载单次作用时间为：

式中：B为轮胎接地宽度；nw为轴的轮数；v为行驶速度。

在本文中荷载作用时间和加热时间均为36000 s。

3.2 数值模拟结果对比

图12 为路面温度分布云图。 由图12 可知， 路面温度分布均匀， 且加热效果较好， 路面温度达到4 ℃左右。

图13 为电缆加热过程中车辆荷载对路面的车辙影响对比。

图13 车辙深度对比图Fig.13 Comparison of rut depth

由图13 可知， 在相同环境条件下， 未升温的路面车辙深度为2.2 mm， CHC 结构的车辙深度为2.285 mm， CHG 结构的车辙深度为1.475 mm。

沥青是一种黏弹性材料， 受温度影响较大。当温度较低时， 路面刚度较大， 温度升高后， 路面刚度逐渐降低。 虽然碳纤维发热电缆提高了路面的融雪性能， 但是在加热过程中使得沥青路面刚度降低， 路面变软， 车辙深度增加。 而玻纤格栅的嵌锁作用抑制了塑性变形的累积， 提高了沥青混合料结合面处的稳定性， 进一步提高了沥青路面的抗车辙能力， 使得车辙深度即使在路面升温的情况下也可以小于未升温的情况； 同时， 这种嵌锁作用也可以分散由加载轮带来的荷载应力。

4 结论

（1） 碳纤维发热电缆的加筋作用可以削弱应力集中。 但在加载后期本身的材质和 “开槽效应”、 “分层作用” 给混凝土带来的不利影响逐渐占据主导地位， 使沥青混凝土抗裂性能降低了约10%左右。 加入玻纤格栅后弥补了发热电缆带来的缺陷， 与电缆共同对混凝土起到加筋作用， 提高了混凝土的延性和拉应力， 增强了抗裂性能。

（2） 加入碳纤维发热电缆后， 对路面的升温性能较好， 路面温度在4 ℃左右。 但由于沥青受温度影响较大， 在电缆加热过程中使得沥青刚度降低， 路面变软， 抗车辙能力降低。

（3） 玻纤格栅网格的嵌锁作用可以限制集料运动， 有效约束混凝土变形， 增强了沥青的抗裂性能和抗车辙能力。