沥青砼表面裂纹对反射裂纹扩展影响试验研究

何天贵， 陈 军， 张青军， 罗 辉

(1.华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074;2.河南省交通建设工程有限公司， 河南 郑州 450000)

裂纹是沥青砼路面的主要病害，新建公路在使用2～3年后都会出现大量裂纹，严重影响路面的寿命和使用性能。路面裂纹按裂纹扩展方向分为表面裂纹和反射裂纹，目前国内学者对表面裂纹和反射裂纹作了大量研究[1～6]。这些研究主要局限于沥青砼路面单独存在表面裂纹或反射裂纹的情况，而现场调查发现[7]，路面局部范围内含有密度较大的网裂，或表面与底面相对应较小范围内同时含有表面裂纹和反射裂纹(文中简称相对裂纹)。

相对裂纹是单裂纹路面的进一步恶化，一般是路面在荷载作用下先出现表面裂纹或反射裂纹，随着荷载的循环作用，相对面也出现了裂纹，使裂纹的受力状况发生了一定程度的改变，其对裂纹的扩展会有一定的影响，但目前很少有人对此进行研究，本文从室内试验的角度对相对裂纹中表面裂纹对反射裂纹的扩展影响作初步研究。

1 相对裂纹扩展机理

在车辆荷载作用下，表面裂纹受压，反射裂纹受拉[8]。假定表面裂纹位于反射裂纹右侧，均布荷载P布置在反射裂纹正上方，详见图1。当无表面裂纹时，反射裂纹两侧受力对称，其在荷载P作用下属于典型的Ⅰ型裂纹，其裂纹扩展趋势是竖向；当有表面裂纹时，其对荷载的传递具有阻断作用，使近反射裂纹右侧BD区的砼承受了比左侧AB区更大的荷载，造成反射裂纹两侧受力不对称，此时反射裂纹属于典型的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹。变形见图中虚线所示，反射裂纹裂尖从E移到E′处，在荷载重复作用下，此范围内的砼首先破坏，裂纹从此处起裂。

图1 荷载作用下裂纹变形情况

2 试 验

2.1 材料与级配

试验所用材料均取自河南省漯河市。粗集料最大粒径26.5 mm；细集料最大粒径9.75 mm；矿粉由石灰岩磨细而得。沥青为重交70#道路沥青，各项指标为：针入度(25℃，100 g，5 s)为67.5(0.1 mm)，延度(5 cm/min，15℃)150 cm，软化点(环球法)49.9℃，闪点(开口)230℃。混合料类型为中粒式AC-20，级配组成见表1，油石比5%。

表1 AC-20级配组成

2.2 试验方案

试件共分4组，每组4个，裂纹用切割机预制，所有反射裂纹均位于试件中间，每个试件宽度均为50 mm。第一组试件仅有反射裂纹，厚度h=60 mm；第二组表面裂纹位于反射裂纹右侧，间距d=50 mm，厚度h=80 mm；第三组表面裂纹位于反射裂纹左侧，间距d=50mm，厚度h=80 mm；第四组表面裂纹位于反射裂纹右侧，间距d=80 mm，厚度h=80 mm。试件尺寸见图2。

图2 试件尺寸及裂纹位置

采用小梁弯曲试验演示反射裂纹的扩展路径，加载仪器为W7-972型液压式万能材料试验机，最大量程100 kN，加载速率控制在2 mm/min以内，试件加载布置见图3。

图3 试件加载

2.3 试件制作

试模尺寸300 mm×300 mm，高度根据需要调整，试件严格按照轮碾法要求制作[9]，用QCX-4型轻便式车辙式样成型机碾压，双向各碾压14次，每个试模制作一个大试件，共制作4个大试件。试件成型12 h后脱模并养护5 d，用切割机将每个大试件切割成4个小试件，作为一组，小试件尺寸符合2.2节中的要求。

3 结果与分析

3.1 起裂角

起裂角为裂纹初始起裂方向与竖向的夹角，是预判裂纹扩展趋势的重要指标，裂纹分布和试件受力情况是影响起裂角的重要因素。试件中点承受集中荷载，加载速率2 mm/min，加载至裂纹扩展失稳，测得各个试件的起裂角见表2。

从表2可知，反射裂纹起裂偏向表面裂纹的一侧，即表面裂纹影响了反射裂纹的起裂方向。起裂角的大小与表面裂纹距反射裂纹的距离有关，距离越小，起裂角度越小；距离越大，起裂角度越大。但是，起裂角不可能无限增大，当表面裂纹位于支点上方时(此时间距最大)，显然此时表面裂纹的存在并不影响起裂角，与无表面裂纹时相当，因此，起裂角度随距离增大先增大，后减小。

分析表2数据，虽然同组试件的起裂角度变化幅度较大，甚至试件3-4、4-3的起裂方向与表面裂纹方向相反，但总体趋势与表面裂纹的位置一致。由于沥青砼的非均质性，裂纹扩展主要沿着集料表面进行，因此，裂纹起裂处集料颗粒大小不一是影响起裂角变化幅度较大的主要原因。

表2 反射裂纹起裂角

3.2 扩展路径

从每组试件里选择有代表性的试件并在一起进行对比，见图4，图中曲线为裂纹扩展路径。裂纹总体扩展趋势均是从下往上，主要特点为：试件1-1没有表面裂纹影响，起裂角度很小，扩展路径几乎竖直向上；试件2-3、3-1、4-3在初始阶段均偏向表面裂纹，随后反向斜向上扩展，当裂纹扩展至反射裂纹正上方时，裂纹随即调整为竖向。由此，可将裂纹扩展分为三个阶段：初始阶段、调整阶段、竖向阶段，经过这三个阶段的扩展，使反射裂纹扩展的总体趋势依然是从下往上。从图4中可以看出，表面裂纹的存在对裂纹扩展的初始阶段影响较大，随着扩展，影响逐步减小，荷载作用位置对裂纹扩展仍占主导因素，使其仍向上扩展。

图4 裂纹扩展路径对比

从第1节知道，表面裂纹的存在，使表面裂纹一侧的砼受力大于另一侧，致使裂纹斜向(偏向表面裂纹)起裂。随着扩展，裂纹尖端距离荷载作用点越近，荷载对裂纹的影响也就越大，裂纹扩展路径逐步转向荷载作用点一侧，当扩展至荷载正下方时，裂纹尖端两侧受力趋于均衡，其扩展路径也就逐步调整为竖向。

3.3 弯拉强度

采用三点弯曲实验的弯拉强度计算式[9]：

式中，F为试样破坏时的最大载荷(N)；B、H、L分别为试样的宽度、高度和跨距(mm)。

从表3数据分析可知：当无表面裂纹时，试件抗折强度最大，说明表面裂纹的存在明显降低了强度；随着裂纹间距的增大，抗折强度降低，当表面裂纹位于支点上方时(此时间距最大)，显然此时表面裂纹的存在并不影响强度，与无表面裂纹时相当，因此，试件的抗折强度随间距的增大先减小，后增大；只要间距相同，表面裂纹的位置(左侧或右侧)对强度无明显影响。

表3 试件弯拉强度计算值

4 结 论

(1)表面裂纹影响反射裂纹的起裂角度大小和方向。起裂角度大小与间距有关，一般随间距增大，先增大后减小；起裂方向与表面裂纹的方位一致。

(2)表面裂纹影响反射裂纹的扩展路径。将扩展路径分为初始阶段、调整阶段、最终阶段，表面裂纹对初始阶段影响较大，裂纹斜向起裂，随后逐步调整为竖向，使扩展路径呈明显的曲线状。

(3)表面裂纹影响试件弯拉强度。随间距的增大，试件弯拉强度先减小后增大。

[1] 郑建龙, 张起森. 半刚性路面反射裂纹及其应力强度因子的有限元分析[J]. 岩土工程学报, 1990, 12(3): 22-31.

[2] 罗 辉，李芳武，朱宏平，等. 沥青路面表面裂纹扩展机理研究[J]. 应用基础与工程学学报，2010，18(3): 453-460.

[3] Luo H, Zhu H P, Miao Y, et al. Simulation of top-down crack propagation in asphalt pavements[J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering) 2010, 11(3): 223-230.

[4] Miao Y, He T G, Yang Q, et al. Multi-domain hybrid boundary node method for evaluating top-down crack in asphalt pavements[J]. Engineering Analysis with Boundary Element， 2010, 34: 755-760.

[5] 苗 雨, 万云冬, 张绍敏. 含反射裂纹的沥青路面动力响应分析[J]. 岩土力学, 2009, 30(8): 2511-2516.

[6] 毛 成. 沥青路面裂纹形成机理及扩展研究[D]. 成都:西南交通大学, 2004.

[7] 张韶敏. 重交通荷载作用下沥青混凝土路面结构破坏机理与对策研究[R].漯河: 河南省漯河市公路管理总段, 1998.

[8] 尤 晓, 王梓夫. 现代道路路基路面工程[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

[9] JTJ 052-2000. 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].