1、.接縫修補(bǔ)材料對復(fù)合式路面AC層抵抗反射裂縫的試驗(yàn)研究 第47卷第1期 2016年1月 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) Vol.47 No.1 Journal of Central South University (Science and Technology) Jan. 2016 DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.020 張倩倩1，吳德芬2，何文2，包鑫2，魏亞1 (1. 清華大學(xué) 土木工程系，北京，100084； 2. 云南省曲陸高速公路開發(fā)有限公司，云南 曲靖，655000) 摘要：通過小梁加載試驗(yàn)研究不同修補(bǔ)策略對舊水泥混凝土路面破損接縫處瀝青

2、混凝土加鋪層(AC)抵抗反射裂縫 的有效性。采用3種修補(bǔ)材料即普通水泥混凝土(CC)、纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)和ECC加設(shè)傳力桿 (ECC-dowel)，通過三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)及微觀形貌觀察，分析不同復(fù)合梁的裂紋發(fā)展形式及抗變形能力。研究結(jié)果表 明：CC，ECC和ECC-dowel修補(bǔ)材料的裂紋發(fā)展形式存在明顯不同；ECC應(yīng)變硬化、多點(diǎn)開裂的延性特征可有 效防止AC層反射裂縫的產(chǎn)生；ECC與ECC-dowel復(fù)合梁的斷裂模量、斷裂能等無顯著差異，說明ECC基體內(nèi) 纖維的橋接作用是復(fù)合梁抗變形能力的關(guān)鍵性因素，傳力桿貢獻(xiàn)不大。 關(guān)鍵詞：復(fù)合梁；接縫修補(bǔ)；纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料；瀝青混凝土加鋪層

3、；反射裂縫 中圖分類號(hào)：TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672?7207(2016)01?0136?07 Experimental research on reflection-crack resistance of composite pavement with different joint repair materials ZHANG Qianqian1, WU Defen2, HE Wen2, BAO Xin2, WEI Ya1 (1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 10008

4、4, China; 2. Yunnan Qulu Highway Development Co. Ltd., Qujing 655000, China) Abstract: Different joint restore strategies of the old cement concrete pavement were investigated to validate the availability on the reflection-crack resistance in the asphalt concrete(AC) layer through beam tests. In thi

5、s research, three repaired materials, i.e. cement concrete (CC), engineered cementitious composite (ECC) and ECC-dowel combination were used. The crack development and flexural performance of the different composite beams were investigated by three-point-bending test and SEM. The results show that t

6、here are obvious differences in the development of the cracks between ECC and CC composite beams. ECC can effectively prevent the reflection crack due to its ductility characteristics as strain hardening and multipoint cracking. Bridging between the fibers in ECC matrix is crucial for the flexural p

7、erformance of composite beam while dowel bar contribution can be neglected. Key words: composite beam; joint repair; engineered cementitious composite materials; asphalt concrete(AC) layer; reflection crack 舊水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土罩面層后構(gòu)成 復(fù)合式路面，可改善原水泥混凝土路面的使用性能， 收稿日期：2015?01?10；修回日期：2015?03?25 基金項(xiàng)目(Foundation

8、 item)：云南省交通廳科技項(xiàng)目(2013(C)02) (Project(2013(C)02) supported by the Foundation of Science and Technology of Communications Department of Yunnan Province) 通信作者：魏亞，副教授，博士生導(dǎo)師，從事結(jié)構(gòu)材料與道路工程研究；E-mail: yawei 提高路面行駛的舒適性，同時(shí)又能充分利用舊水泥混凝土路面的剩余強(qiáng)度，且對交通及環(huán)境影響較小。由 于舊水泥混凝土板存在較多的破損接縫，在溫度應(yīng)力和行車荷載作用下，在使用的短時(shí)期內(nèi)，AC(asphalt con

9、crete)層在水泥混凝土板破損接縫的對應(yīng)位置處易形成反射裂縫。在環(huán)境因素和行車荷載反復(fù)作用下，裂縫迅速向四周擴(kuò)展，水分通過裂縫滲入基層，在行車荷載反復(fù)作用下對基層材料造成破壞，引起沉陷、翻漿、唧泥等病害1?2。因此，加鋪AC層前，需對原水泥混凝土路面破損接縫進(jìn)行修補(bǔ)。ECC(engineered cementitious composite)是一種基于細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì)的具有超強(qiáng)韌性的亂向分布短纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其以水泥、礦物摻合料以及石英砂作為基體，用纖維作增強(qiáng)材料。ECC在受拉荷載作用下因纖維的橋接作 本研用表現(xiàn)出多點(diǎn)開裂、應(yīng)變硬化的高延性特征3?5。 究通過三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，對比分析3種修

10、補(bǔ)材料復(fù)合梁的裂紋發(fā)展形式、抗變形能力及斷裂能，評(píng)估修補(bǔ)材料用于抵抗AC層反射裂縫的有效性。研究所用3種裂縫修補(bǔ)材料分別為普通水泥混凝土(cement concrete，CC)，ECC以及ECC加設(shè)傳力桿(ECC-dowel)。 137 部預(yù)留有1 mm寬的縫，用于插放不銹鋼片(鋼片厚度為1 mm，長×寬為100 mm×100 mm)。 2) 澆筑水泥混凝土，澆筑后的混凝土在模具中成“倒立U型”。對于設(shè)傳力桿的U形梁，需預(yù)先在實(shí)心體的每個(gè)側(cè)面鉆孔加設(shè)傳力桿，傳力桿長度為80 mm，其中外露長度為40 mm。U型梁拆模即為分離式，將其放至標(biāo)養(yǎng)間(溫度為(20±2)

11、，相對濕度為90%以上)養(yǎng)護(hù)7 d，然后置于模具底部，在凹槽的底面及2個(gè)側(cè)面進(jìn)行密集鉆眼刻槽，分別澆筑CC和ECC修補(bǔ)材料。ECC的配合比及力學(xué)性能如下：膠凝材料、水、砂質(zhì)量比為1.00:0.25:0.30；纖維摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為1.7%；抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為9.4 MPa和62.8 MPa。為防止U型梁的預(yù)裂縫被堵塞，澆筑前在預(yù)裂縫處插入1 mm厚的鋼片，待抗彎試驗(yàn)前取出。 3) 澆筑完成后將模具及試件整體放置標(biāo)養(yǎng)間養(yǎng)護(hù)至28 d，在U型梁與修補(bǔ)層構(gòu)成的組合梁表面刻槽并鋪筑密級(jí)配瀝青混凝土，其配比如下：石料、砂、礦粉質(zhì)量比為63:34:3；瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.4%。 1 實(shí)驗(yàn) 1.1 材料

12、 普通水泥混凝土采用基準(zhǔn)水泥，比表面積為350 m2/kg；ECC所用水泥為低縮復(fù)合性水泥6；試驗(yàn)所用瀝青為改性瀝青。細(xì)骨料分3種：普通水泥混凝土采用最大粒徑為5 mm的河砂，瀝青混凝土采用最大粒徑為5 mm的機(jī)制砂，ECC采用粒徑為0.0750.150 mm的石英砂；粗骨料為最大粒徑為瀝青混凝土采用礦粉作為填料；10 mm的破碎石灰石； 纖維為日本Kuraray公司生產(chǎn)的聚乙烯醇纖維(PVA纖抗拉強(qiáng)度為1.620 維)，其性能如下：密度為1.2 g/cm3，GPa，彈性模量為42.8 GPa，直徑為0.039 mm，長度為12 mm。傳力桿采用直徑為5 mm的光圓鋼筋。 1.2 試件制備與試

13、驗(yàn)方法 復(fù)合梁整體長×寬×高為100 mm×100 mm× 300 mm，其成型分為3步，如圖1所示。 1) 成型U型梁，U型梁采用普通水泥混凝土，其配合比及相關(guān)力學(xué)性能如下：水灰比為0.4；水泥、水、砂、石子密度分別為488，195，689和1 034 kg/m3；抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為5.6和61.2 MPa。U型梁為分離式，縫寬為1 mm，其成型采取“倒立U型”澆筑方法：預(yù)先將與U型梁凹槽長×寬×高(150 mm×100 mm×35 mm)相同的不銹鋼實(shí)心體置于模具(模具尺寸與組合梁整體尺寸相同)中間，實(shí)心

14、體的中 圖2 三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)加載示意圖 Fig. 2 Illustration of three-point-bending test 單位：mm 圖1 組合梁尺寸 Fig .1 Dimension of composite beam 復(fù)合梁成型完成后，在TONINORM2000試驗(yàn)機(jī)采用線性上進(jìn)行三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)，加載跨距為280 mm。位移傳感器(LVDT)測定撓度，并控制加載速度為0.1 mm/min，裂紋口張開位移(CMOD)由引伸計(jì)測定，加載示意圖如圖2所示。采用普通光學(xué)顯微鏡及 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 第47卷 138 QUANTA 200F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察ECC

15、受拉后的微觀形貌。 示裂縫修補(bǔ)材料為CC，ECC及ECC加設(shè)傳力桿的合梁結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中每組試件為2根，對于CC復(fù)合梁，其中1根在加載早期即發(fā)生斷裂損壞。由圖3可知：2種ECC復(fù)合梁的裂紋發(fā)展形式與CC復(fù)合梁的裂紋發(fā)展形式明顯不同；CC復(fù)合梁開裂后裂紋迅速擴(kuò)展，呈現(xiàn)明顯脆性斷裂特征，與峰值荷載(約2.5 kN)相對應(yīng)的裂紋寬度僅為0.06 mm左右；2種ECC復(fù)合梁開裂后呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特點(diǎn)，承載力隨裂紋寬度增加而增大，荷載達(dá)到峰值后緩慢下降，呈明顯的延性破壞特征，較普通混凝土大幅度提高。 2種修補(bǔ)材料開裂狀態(tài)的光學(xué)顯微圖像見圖4，3種復(fù)合梁的最終破壞狀態(tài)見圖5。3種修補(bǔ)材料均以水泥為膠凝材料，其初始

16、裂紋的產(chǎn)生機(jī)理一致：在荷載作用下，膠凝材料達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度即發(fā)生開裂；但裂紋隨后的發(fā)展形式以及最終狀態(tài)有顯著差異。普通混凝土受到荷載作用時(shí)產(chǎn)生脆性裂紋，如圖4(a)所示，其迅速發(fā)展為1條主裂紋。主裂紋在切口上方延伸至瀝青層，結(jié)構(gòu)最終破壞，如圖5(a)所示。初始裂紋產(chǎn)生后，2種ECC修補(bǔ)層表面逐漸出現(xiàn)多重細(xì)微裂紋， 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 2.1 裂紋發(fā)展分析 對3種復(fù)合梁的荷載-CMOD(corack mouth opening displacement)曲線及裂紋發(fā)展過程進(jìn)行對比，如圖3所示。圖中，“CC”，“ECC”及“ECC-dowel”分別表 (a) CC；(b) ECC；(c) ECC-

17、dowel。 圖3 不同接縫修補(bǔ)材料的復(fù)合梁結(jié)構(gòu)荷載-CMOD曲線 Fig. 3 Load-versus-CMOD plot of different composite beams (a) CC；(b) ECC。 圖4 2種修補(bǔ)材料開裂狀態(tài)的光學(xué)顯微圖像 Fig. 4 Optical microscopic images of cracking for CC and ECC 139 布7?9，避免了應(yīng)力集中，這樣，整個(gè)AC層一直處于截面受壓狀態(tài)，避免了反射裂縫的產(chǎn)生。 (a) CC修補(bǔ)路面；(b) ECC和ECC-dowel修補(bǔ)路面。 圖6 車輛荷載作用下復(fù)合式路面的裂紋發(fā)展示意圖 Fig.

18、 6 Crack development of composite pavements under vehicle loads 2.2 彎曲性能 采用斷裂模量(MOR)10及對應(yīng)撓度評(píng)估3種復(fù)合梁抵抗變形的能力。圖7所示為3種復(fù)合梁的荷載?撓度曲線。斷裂模量為試件在最大荷載處的彎曲應(yīng)力，其計(jì)算式為 (a) CC；(b) ECC；(c) ECC-dowel。 圖5 3種復(fù)合梁的最終破壞狀態(tài) Fig. 5 Final failure modes of three types of composite beams MOR?3PmaxL/(2bh2) (1) N；L為加載跨距，式中：Pmax為試件施加

19、的最大荷載，mm；b為試件厚度，mm；h為修補(bǔ)層高度，mm。由于AC層的彈性模量(約800 MPa)相對于水泥混凝土(彈性模量約為35 GPa)小很多，在施加荷載時(shí)基本不受力，故在計(jì)算斷裂模量時(shí)予以忽略；U型混凝土梁因存在切口，也不承受荷載。 3種復(fù)合梁的斷裂模量及對應(yīng)撓度見圖8。由圖ECC8(a)可以看出：CC復(fù)合梁的斷裂模量為8.0 MPa；和ECC-dowel復(fù)合梁的斷裂模量平均值分別約為這2種ECC復(fù)合梁的斷裂模量12.7 MPa和11.9 MPa。 與CC復(fù)合梁的斷裂模量相比增加了約50%，其抗彎能力顯著提高。圖8(b)所示為復(fù)合梁對應(yīng)斷裂模量處的撓度，CC，ECC和ECC-dowe

20、l這3種復(fù)合梁的撓度均值分別為1.11，3.79和3.65 mm。斷裂模量對應(yīng)的撓度表征了材料的延性特征，ECC復(fù)合梁顯示出良好延性，表明其作為接縫修補(bǔ)材料的可行性。另外，ECC和ECC-dowel這2種復(fù)合梁的斷裂模量及對應(yīng)撓 這些微裂紋之間由纖維橋接(圖4(b)所示)，呈不規(guī)則方向發(fā)展。繼續(xù)加載時(shí)，在修補(bǔ)層與水泥混凝土基底層的界面裂縫處形成扭結(jié)裂紋并逐漸擴(kuò)展為1條主裂紋，其與多重細(xì)微裂紋共同存在并緩慢發(fā)展至結(jié)構(gòu)最終失效，如圖5(b)和5(c)所示。由于ECC材料具有較大的承載能力，這個(gè)過程與CC復(fù)合梁相比發(fā)展相當(dāng)緩慢。由此可以推斷：ECC修補(bǔ)材料可以有效防止復(fù)合梁的突然破壞，并避免在接縫處

21、產(chǎn)生應(yīng)力集中。 圖6所示為采用3種材料修補(bǔ)破損接縫后，復(fù)合式路面在行車荷載作用下的裂紋發(fā)展示意圖。在行車荷載作用下，CC修補(bǔ)材料產(chǎn)生脆性開裂，極易導(dǎo)致AC層發(fā)生反射裂縫。ECC材料的多裂紋發(fā)展形式使修補(bǔ)層在受拉過程中因纖維的橋接作用應(yīng)力重新分 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 第47卷 140 (a) 斷裂模量；(b) 對應(yīng)斷裂模量處的撓度。 圖8 3種復(fù)合梁的斷裂模量及對應(yīng)撓度 Fig. 8 MOR and deflection at MOR for three composite beams 式中：W0為荷載?撓度曲線下的面積，N·mm；Pw為mm；梁的自重，N；?0為梁最終破壞時(shí)加載

22、點(diǎn)的位移，a0為初始裂縫寬度，mm。圖9所示為3種復(fù)合梁的 (a) CC；(b) ECC；(c) ECC-dowel。 圖7 不同接縫修補(bǔ)材料的復(fù)合梁結(jié)構(gòu)荷載?撓度曲線 Fig. 7 Load?deflection curves of different composite beams 斷裂能。從圖9可以看出：2種ECC復(fù)合梁的單位面積斷裂能比CC復(fù)合梁的單位面積斷裂能提高約10倍，以ECC作為接縫修補(bǔ)材料的復(fù)合梁結(jié)構(gòu)具有普通復(fù)合梁所無法具有的抗裂縫擴(kuò)展性能，其對防止新鋪AC層產(chǎn)生反射裂縫具有重要意義；ECC與ECC-dowel復(fù)合梁的斷裂能相似，說明傳力桿對提高復(fù)合梁抗裂縫擴(kuò)展能力貢獻(xiàn)不大。

23、 2.4 ECC開裂后微觀形貌 當(dāng)基體內(nèi)裂紋產(chǎn)生時(shí)，纖維在界面的脫黏與滑移對裂紋擴(kuò)展時(shí)的能力消耗有重要影響13。本文采用SEM對ECC破壞斷裂后的微觀形貌進(jìn)行觀察。圖10(a)所示為ECC斷裂界面的纖維分布圖像，ECC受到破壞荷載后，PVA纖維從基體中被拔出，而不是被直接拉斷。圖10(b)所示為纖維與基體界面的過渡區(qū)微觀形 度差別不大，說明ECC基體內(nèi)纖維的橋接作用是提高復(fù)合梁抗變形能力的關(guān)鍵性因素，傳力桿無突出貢獻(xiàn)。 2.3 斷裂能 其定義為斷裂能Gf是體現(xiàn)材料性能的重要參數(shù)，形成斷裂區(qū)單位面積所需消耗的能量，表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力。斷裂能基于荷載?撓度曲線(見圖7)，由下式 11?12

24、 計(jì)算得到： Gf? W0?2Pw?0 (2) (h?a0)b 貌，可以看出ECC中基體的水化產(chǎn)物緊密包裹住PVA 纖維，與文獻(xiàn)14中鋼纖維與基體的結(jié)合情況對比， 在常溫狀態(tài)下，ECC中纖維與基體的黏結(jié)更緊密。ECC 受拉達(dá)到破壞荷載后，部分纖維脫離基體，由于纖維 與基體的黏結(jié)特性，在纖維被拔出時(shí)產(chǎn)生較大的阻 力15，纖維將部分水化產(chǎn)物一起帶出整個(gè)基體，如圖 10(c)所示。纖維與基體良好的黏結(jié)性及纖維間的橋接 作用使ECC具備較強(qiáng)的抵抗變形能力，ECC受拉達(dá) 到最大應(yīng)變后，仍有一定的承載能力，宏觀表現(xiàn)即為 多裂紋形態(tài)。 圖9 3種復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的斷裂能 Fig. 9 Plot of fractu

25、re energy perarea for three composite beams 3 結(jié)論 1) ECC與CC這2種修補(bǔ)材料的裂紋發(fā)展形式存 在明顯不同：CC復(fù)合梁在預(yù)切口的上方有1條貫穿 CC修補(bǔ)層及延伸至AC層的裂紋；由于ECC材料具 有應(yīng)變硬化、多點(diǎn)開裂的延性特征，在加載過程中，2 種ECC復(fù)合梁在修補(bǔ)層與水泥混凝土基底層的界面 裂縫處形成扭結(jié)裂紋并逐漸擴(kuò)展為1條主裂紋，其與 多重細(xì)微裂紋共同存在并緩慢發(fā)展至結(jié)構(gòu)最終失效。 2) 2種ECC復(fù)合梁的斷裂模量及對應(yīng)撓度、斷裂 能與CC復(fù)合梁的相比顯著提高，ECC材料良好的抗 變形能力可有效防止AC層反射裂縫產(chǎn)生。 3) ECC與ECC

26、-dowel復(fù)合梁的斷裂模量及對應(yīng) 撓度、斷裂能等差別不大，說明ECC基體內(nèi)纖維的橋 接作用對復(fù)合梁的抗變形能力起決定作用，傳力桿貢 獻(xiàn)不大。 4) ECC受到破壞荷載后，PVA纖維從基體中被拔 出，而不是被直接拉斷；由于纖維與基體的黏結(jié)特性， 纖維被拔出時(shí)將部分水化產(chǎn)物一起帶出整個(gè)基體，纖 維與基體良好的黏結(jié)性及纖維間的橋接作用進(jìn)一步證 明了ECC具備較強(qiáng)的抵抗變形能力。 參考文獻(xiàn)： 1 喬鵬. 舊水泥混凝土路面薄層瀝青罩面施工技術(shù)研究D. 西 安: 長安大學(xué)公路學(xué)院, 2009: 10?29. QIAO Peng. Study of construction technology for

27、old cement concrete pavement with thin asphalt coatingD. Xian: Changan University. Highway Institute, 2009: 10?29. 2 MOLENAAR A A A. Evaluation of pavement structure with emphasis on reflective crackingC/ Proceedings of the Second International RILEM Conference. Cambridge, USA, 1993: 21?48. 3 ?AHMAR

28、AN M, LI V C. Engineered cementitious composites: (a) 斷裂界面的纖維分布；(b) 水化產(chǎn)物緊密包裹住纖維；(c) 纖維將水化產(chǎn)物由基體帶出。 圖10 ECC開裂的SEM像 Fig. 10 SEM images of cracking for ECC 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 第47卷 142 can composites be accepted a crack-free concrete?J. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Bo

29、ard, 2010, 2164: 1?8. 4 5 LI V C. On engineered cementitious composites (ECC)J. Journal of Advanced Concrete Technology, 2003, 1(3): 215?230. YANG Enhua, WANG Shuxin, YANG Yingzi, et al. Fiber-bridging constitutive law of engineered cementitious compositesJ. Journal of Advanced Concrete Technology,

30、2008, 6(1): 181?193. 6 居賢春, 張君, 王振波, 等. 低干縮延性材料?混凝土復(fù)合梁抗彎性能J. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 46(4): 75?81. JU Xianchun, ZHANG Jun, WANG Zhenbo, et al. Flexural performance of LSECC-concrete composite beamJ. Journal of Harbin Institute of Technology, 2014, 46(4): 75?81. 7 FISCHER G, LI V C. Influence of matrix duct

31、ility on tension- stiffening behavior of steel reinforced engineered cementitious composites (ECC)J. ACI Structural Journal, 2002, 99(1): 104?111. 8 ZHANG Jun, LI V C, NOWAK A S, et al. Introducing ductile strip for durability enhancement of concrete slabsJ. Journal of Materials in Civil Engineering, 2002, 14(3): 253?261. 9 BENTUR A, MINDESS S. Fibre reinforced cementitious compositesM. Boca Raton, USA: CRC Press