劉展瑞, 羅少輝, 袁朝圣
(1.廣西壯族自治區(qū) 玉林公路發(fā)展中心, 廣西 玉林 537000;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410004)
對(duì)舊水泥路面采用專用設(shè)備進(jìn)行均勻的原位沖擊、破碎、壓實(shí),破壞路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體性后形成碎石化結(jié)構(gòu)層,一般需通過(guò)加鋪瀝青層進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。新的路面結(jié)構(gòu)在交通荷載不斷作用下,應(yīng)力、應(yīng)變長(zhǎng)期處于交迭變化之下,易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂,嚴(yán)重影響瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的使用壽命。為提高瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的使用壽命,在碎石化層頂部增設(shè)抗裂性能優(yōu)異的富油瀝青AC-10抗疲勞夾層,工程應(yīng)用效果良好。為進(jìn)一步揭示碎石化層頂部抗裂夾層的抗裂機(jī)理,該文對(duì)抗裂夾層開(kāi)展疲勞試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析。路面結(jié)構(gòu)層疲勞壽命通過(guò)裂紋出現(xiàn)的閾值及擴(kuò)展速率或材料性能(如強(qiáng)度)的衰減及對(duì)應(yīng)的破壞準(zhǔn)則進(jìn)行研究分析。分析結(jié)構(gòu)采用廣西玉林市博白縣省道S209線路面大修工程(包括K141+541—K143+541、K144+541—K148+541兩段共6 km),舊水泥砼路面采用多錘頭破碎工藝進(jìn)行碎石化。在舊路面碎石化層與瀝青加鋪層之間設(shè)置3 cm AC-10瀝青混合料抗裂夾層。通過(guò)疲勞試驗(yàn)測(cè)試AC-10瀝青混合料的疲勞性能,并建立有限元模型對(duì)比不同加鋪方式下加鋪層底的力學(xué)行為、裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子及其擴(kuò)展速率,探討AC-10瀝青混合料夾層抗裂作用的力學(xué)機(jī)理。
1.1.1 試驗(yàn)材料
瀝青技術(shù)性能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求,粗、細(xì)集料和填料均為石灰?guī)r石料,瀝青混合料按馬歇爾試驗(yàn)法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。瀝青混合料疲勞試件采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0703方法輪碾成型,再切割成棱柱體試件250 mm×30 mm×35 mm。
1.1.2 試驗(yàn)儀器及方法
采用MTS-810材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行中點(diǎn)加載彎曲疲勞試驗(yàn),模擬路面在車輪荷載作用下的實(shí)際受力情況。試驗(yàn)選用應(yīng)力控制模式下半正弦波加載,頻率為10 Hz,荷載水平分別為0.2、0.3、0.4和0.54種應(yīng)力比。為避免試件產(chǎn)生脫空現(xiàn)象,半正弦波荷載的最小荷載為最大荷載的2%。彎曲試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0715-2011進(jìn)行,加載速率為50 mm/min,彎曲試驗(yàn)溫度與疲勞試驗(yàn)溫度為15 ℃。
為減少試驗(yàn)誤差,每種混合料在每個(gè)應(yīng)力比下制作6個(gè)試件進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1,試件破損或加載即壞不予記錄。
對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行雙對(duì)數(shù)曲線擬合,具有較好的線性關(guān)系。疲勞方程如下:
Nf=ks-n
(1)
式中:Nf為荷載作用次數(shù),即疲勞壽命;s為應(yīng)力比σ/σf;σ為每次施加于試件的常量應(yīng)力的最大幅度;σf為根據(jù)彎曲試驗(yàn)確定的抗彎拉強(qiáng)度值;k、n為回歸系數(shù),k反映材料疲勞性能的優(yōu)劣,n表示材料的疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度。
表1 瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果
擬合得到AC-10瀝青混合料的彎曲試驗(yàn)疲勞方程為:
(2)
σ可取AC-10層底最大拉應(yīng)力,σ=0.34 MPa,AC-10抗彎拉強(qiáng)度為8.22 MPa,代入式(2),得Nf=2.51×106次。該疲勞壽命為AC-10開(kāi)始出現(xiàn)初始疲勞裂縫時(shí)的荷載作用次數(shù),是室內(nèi)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理得到的疲勞方程的計(jì)算結(jié)果。國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明,實(shí)際使用時(shí)現(xiàn)場(chǎng)疲勞壽命比室內(nèi)疲勞試驗(yàn)所得結(jié)果大很多,一般大20~100倍。按此估算的疲勞壽命為5×107~2.5×108次,能滿足該工程設(shè)計(jì)交通量的要求。
采用ABAQUS有限元軟件建立模型進(jìn)行抗裂層數(shù)值分析。為模擬碎石化后路面結(jié)構(gòu),將破碎后舊水泥路面分為6 cm碎石化層和20 cm塊裂化層,其中碎石化層通過(guò)降低模量和泊松比模擬,塊裂化層中每隔60 cm設(shè)置一條縱向裂紋,由于塊裂化層整體性較強(qiáng),不作斷裂分析,同時(shí)在抗裂夾層AC-10中設(shè)置隨機(jī)微小裂縫。模型參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 模型參數(shù)及幾何尺寸
對(duì)AC-10厚度及模量范圍進(jìn)行模擬時(shí),加鋪層的層底應(yīng)力隨其模量、厚度而減少,但從工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面考慮,選擇適合實(shí)際工程的參數(shù)。交通荷載以對(duì)稱和偏載分布在縱向裂紋上方(見(jiàn)圖1)。
圖1 計(jì)算荷載分布
如圖2所示,荷載作用在路面時(shí),裂縫周圍的單元變形具有相互擠壓的趨勢(shì),即裂縫趨于愈合;荷載消失時(shí)單元變形恢復(fù),即裂縫張開(kāi)。在循壞荷載作用下裂縫的張合作用產(chǎn)生疲勞裂縫擴(kuò)展。荷載分布方式不同,裂紋擴(kuò)展速度也不同。對(duì)稱荷載作用時(shí),裂紋尖端應(yīng)力呈對(duì)稱分布,裂紋擴(kuò)展效果較弱;偏載作用下,裂紋尖端左邊應(yīng)力明顯大于右邊。
圖2 模型一荷載作用下裂縫處應(yīng)力分布云圖(單位:Pa)
圖3為偏荷載作用下AC-10層中裂紋豎向應(yīng)力變化。從圖3可看出:裂紋尖端(突變點(diǎn))彎曲應(yīng)力為負(fù),即壓縮應(yīng)力,說(shuō)明徑向應(yīng)力與豎向應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展,不考慮溫度作用時(shí),剪切應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的唯一原因。為模擬裂紋尖端出現(xiàn)的剪切破壞,在考慮疲勞裂紋破壞時(shí)選用最不利工況,即考慮偏載。
圖3 偏荷載作用下AC-10層中裂紋豎向應(yīng)力變化
瀝青加鋪層層底應(yīng)力及彎沉計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知:1) 不論交通荷載是對(duì)稱分布還是偏載分布,模型二下加鋪層層底應(yīng)力遠(yuǎn)大于模型一,說(shuō)明AC-10的布設(shè)可極大降低加鋪層層底應(yīng)力,尤其在偏載作用下,AC-10對(duì)應(yīng)力的減少程度遠(yuǎn)高于對(duì)稱荷載。2) 在設(shè)有AC-10的情況下,交通荷載分布方式對(duì)加鋪層層底應(yīng)力的影響可忽略,遠(yuǎn)低于未布設(shè)AC-10偏荷載產(chǎn)生的應(yīng)力,為對(duì)稱荷載的1.3~1.5倍。這是由于AC-10起到了模量過(guò)渡作用,提高了路面結(jié)構(gòu)整體模量的均勻性,同時(shí)AC-10具有較強(qiáng)的變形能力,能契合上層加鋪層的變形,直接改變加鋪層與下層之間的層間接觸作用,降低最大等效應(yīng)力和剪應(yīng)力,消散基層裂縫尖端的能量,延緩裂縫向上擴(kuò)展到新加鋪層的表面。2) AC-10對(duì)彎沉的影響較小,但并不是彎沉與下層模量及厚度關(guān)系不大,模型一下層組合形成的等效模量與模型二相差不大,AC-10對(duì)彎沉影響較小。
表3 瀝青加鋪層層底應(yīng)力、彎沉分析結(jié)果
斷裂力學(xué)理論認(rèn)為,在外荷載作用時(shí),若結(jié)構(gòu)裂紋等缺陷附近產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中,將導(dǎo)致屈服強(qiáng)度不能滿足裂紋處所產(chǎn)生的局部應(yīng)力,從而使裂紋在外加循環(huán)應(yīng)力作用下逐漸擴(kuò)展,即疲勞裂紋擴(kuò)展。交通荷載下瀝青砼疲勞裂縫擴(kuò)展過(guò)程分析可采用Paris經(jīng)驗(yàn)公式[見(jiàn)式(3)]預(yù)估疲勞開(kāi)裂壽命,但在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)需在材料受拉區(qū)布設(shè)一道長(zhǎng)度為0.1~0.2 cm的初始裂紋。
(3)
式中:da/dN為裂紋擴(kuò)展速率;A、n為與材料性質(zhì)(瀝青混合料中瀝青性質(zhì)、含量及混合料孔隙率等)有關(guān)的系數(shù);K為應(yīng)力強(qiáng)度因子。
A、n根據(jù)瀝青砼疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定,取疲勞裂縫擴(kuò)展參數(shù)A=1.475×10-11,n=1.903。根據(jù)式(3),將裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度沿其擴(kuò)展方向分為多等份,從裂紋原始長(zhǎng)度開(kāi)始,逐步增大裂紋長(zhǎng)度(一份設(shè)置為一步),以此來(lái)模擬裂紋從初始階段到貫穿整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的各個(gè)階段。模型一與模型二的有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4,瀝青層裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化見(jiàn)圖4。
從表4可看出:模型一路面結(jié)構(gòu)總疲勞循環(huán)次數(shù)是模型二的1.9 倍,3 cmAC-10增大了面層結(jié)構(gòu)厚度,延長(zhǎng)了裂紋擴(kuò)展的路徑長(zhǎng)度,路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大幅提升;式(3)得到的AC-10疲勞次數(shù)為2×107次,相比疲勞試驗(yàn)得到的預(yù)估疲勞壽命5×107~2.5×108次有所降低,這是由于有限元計(jì)算是基于斷裂力學(xué)理論,在計(jì)算前需設(shè)定結(jié)構(gòu)在荷載作用前即出現(xiàn)微小裂縫,AC-10的結(jié)構(gòu)完整性受到破壞,降低了AC-10抵抗裂縫擴(kuò)展的能力。
根據(jù)文獻(xiàn)[15],舊水泥板破碎后模量降低,將使層間拉應(yīng)力和裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子增大,縮短路面疲勞壽命。但從表4、圖4來(lái)看,破碎后應(yīng)力強(qiáng)度因子比破碎前小1倍,說(shuō)明下層模量大小不是影響應(yīng)力強(qiáng)度因子變化的主要因素。結(jié)合式(4)分析,碎石化技術(shù)在影響層間應(yīng)力的同時(shí),還降低了舊水泥板中裂紋長(zhǎng)度a及裂紋形狀參數(shù)Y(與裂紋邊界條件和幾何形狀有關(guān)),是影響裂紋擴(kuò)展的主要因素。裂紋擴(kuò)展到0.15 m時(shí),瀝青層中的應(yīng)力在外荷載作用下迅速增大,導(dǎo)致應(yīng)力強(qiáng)度因子變化速率迅速加快,使瀝青層中應(yīng)力的影響成為裂紋擴(kuò)展的主導(dǎo)作用。模型二應(yīng)力強(qiáng)度因子增速遠(yuǎn)快于模型一,是因?yàn)锳C-10增大了下層結(jié)構(gòu)的組合模量,使荷載作用下瀝青層中產(chǎn)生的應(yīng)力較小,碎石化層破碎粒徑(模量)成為上層疲勞壽命的主要影響因素。
表4 模型應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果
圖4 瀝青層裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律
(4)
式中:KⅡ?yàn)棰蛐蛻?yīng)力強(qiáng)度因子(Pa·m1/2);Y為裂紋形狀參數(shù),與裂紋邊界條件和幾何形狀有關(guān);τ為應(yīng)力(Pa);a為裂紋長(zhǎng)度(m)。
從圖4可看出:裂紋擴(kuò)展到兩種材料的交界面時(shí),裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子出現(xiàn)較明顯的轉(zhuǎn)折;裂紋擴(kuò)展到0.03(模型一AC-10頂面)及0.12 m(模型二ATB-25頂面)時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子有下降趨勢(shì)或增速變緩,而在同一層中裂紋擴(kuò)展速率增大。這是由于上一層阻斷了裂縫的連續(xù)貫通,減弱了裂紋尖端的奇異性,同時(shí)新的瀝青層將加強(qiáng)對(duì)裂紋的邊界影響,使下層裂縫尖端的發(fā)展受到約束,裂縫形狀參數(shù)減小。
(1) 通過(guò)彎曲試驗(yàn)建立AC-10疲勞方程預(yù)估其疲勞性能,結(jié)果表明AC-10疲勞壽命能滿足玉林市博白縣省道S209線路面大修工程的交通荷載等級(jí)要求。
(2) 對(duì)比不同荷載分布方式下路面加鋪結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為,AC-10能大大降低瀝青加鋪層層底最大等效應(yīng)力及剪應(yīng)力,基層垂直裂縫尖端的能量在AC-10界面水平消散,可延緩裂縫向上擴(kuò)展到新加鋪層的表面,且效果在偏荷載作用時(shí)更明顯,為對(duì)稱荷載的1.3~1.5倍,但AC-10對(duì)加鋪層彎沉的影響較小。
(3) 不同加鋪方式下Paris公式預(yù)估路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命與疲勞試驗(yàn)所得疲勞壽命在同一數(shù)級(jí),設(shè)置抗裂夾層的路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命約為未設(shè)置路面結(jié)構(gòu)的1.9倍,抗裂夾層能顯著提高碎石化路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
(4) 在裂紋初始階段,裂紋的連通長(zhǎng)度及形狀參數(shù)是影響裂紋擴(kuò)展的主要因素。AC-10通過(guò)阻斷裂縫的連續(xù)性減弱裂紋尖端的奇異性,加強(qiáng)對(duì)裂紋的邊界影響,使碎石化層裂縫尖端的發(fā)展受到約束作用,降低形狀參數(shù)Y、裂紋長(zhǎng)度a,增加面層厚度,從而延長(zhǎng)裂縫擴(kuò)展路徑。