DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.020

接缝修补材料对复合式路面AC层抵抗反射裂缝的试验研究

张倩倩¹，吴德芬²，何文²，包鑫²，魏亚¹

(1. 清华大学 土木工程系，北京，100084；

2. 云南省曲陆高速公路开发有限公司，云南 曲靖，655000)

摘要：通过小梁加载试验研究不同修补策略对旧水泥混凝土路面破损接缝处沥青混凝土加铺层(AC)抵抗反射裂缝的有效性。采用3种修补材料即普通水泥混凝土(CC)、纤维增强水泥基复合材料(ECC)和ECC加设传力杆(ECC-dowel)，通过三点抗弯试验及微观形貌观察，分析不同复合梁的裂纹发展形式及抗变形能力。研究结果表明：CC，ECC和ECC-dowel修补材料的裂纹发展形式存在明显不同；ECC应变硬化、多点开裂的延性特征可有效防止AC层反射裂缝的产生；ECC与ECC-dowel复合梁的断裂模量、断裂能等无显著差异，说明ECC基体内纤维的桥接作用是复合梁抗变形能力的关键性因素，传力杆贡献不大。

关键词：复合梁；接缝修补；纤维增强水泥基复合材料；沥青混凝土加铺层；反射裂缝

中图分类号：TU528.572       文献标志码：A         文章编号：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 100084, 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 this 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 there 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 performance 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

旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土罩面层后构成复合式路面，可改善原水泥混凝土路面的使用性能，提高路面行驶的舒适性，同时又能充分利用旧水泥混凝土路面的剩余强度，且对交通及环境影响较小。由于旧水泥混凝土板存在较多的破损接缝，在温度应力和行车荷载作用下，在使用的短时期内，AC(asphalt concrete)层在水泥混凝土板破损接缝的对应位置处易形成反射裂缝。在环境因素和行车荷载反复作用下，裂缝迅速向四周扩展，水分通过裂缝渗入基层，在行车荷载反复作用下对基层材料造成破坏，引起沉陷、翻浆、唧泥等病害^[1-2]。因此，加铺AC层前，需对原水泥混凝土路面破损接缝进行修补。ECC(engineered cementitious composite)是一种基于细观力学设计的具有超强韧性的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料，其以水泥、矿物掺合料以及石英砂作为基体，用纤维作增强材料。ECC在受拉荷载作用下因纤维的桥接作用表现出多点开裂、应变硬化的高延性特征^[3-5]。本研究通过三点抗弯试验，对比分析3种修补材料复合梁的裂纹发展形式、抗变形能力及断裂能，评估修补材料用于抵抗AC层反射裂缝的有效性。研究所用3种裂缝修补材料分别为普通水泥混凝土(cement concrete，CC)，ECC以及ECC加设传力杆(ECC-dowel)。

1  实验

1.1  材料

普通水泥混凝土采用基准水泥，比表面积为350 m²/kg；ECC所用水泥为低缩复合性水泥^[6]；试验所用沥青为改性沥青。细骨料分3种：普通水泥混凝土采用最大粒径为5 mm的河砂，沥青混凝土采用最大粒径为5 mm的机制砂，ECC采用粒径为0.075~0.150 mm的石英砂；粗骨料为最大粒径为10 mm的破碎石灰石；沥青混凝土采用矿粉作为填料；纤维为日本Kuraray公司生产的聚乙烯醇纤维(PVA纤维)，其性能如下：密度为1.2 g/cm³，抗拉强度为1.620 GPa，弹性模量为42.8 GPa，直径为0.039 mm，长度为12 mm。传力杆采用直径为5 mm的光圆钢筋。

1.2  试件制备与试验方法

复合梁整体长×宽×高为100 mm×100 mm× 300 mm，其成型分为3步，如图1所示。

1) 成型U型梁，U型梁采用普通水泥混凝土，其配合比及相关力学性能如下：水灰比为0.4；水泥、水、砂、石子密度分别为488，195，689和1 034 kg/m³；抗拉强度和抗压强度分别为5.6和61.2 MPa。U型梁为分离式，缝宽为1 mm，其成型采取“倒立U型”浇筑方法：预先将与U型梁凹槽长×宽×高(150 mm×100 mm×35 mm)相同的不锈钢实心体置于模具(模具尺寸与组合梁整体尺寸相同)中间，实心体的中部预留有1 mm宽的缝，用于插放不锈钢片(钢片厚度为1 mm，长×宽为100 mm×100 mm)。

2) 浇筑水泥混凝土，浇筑后的混凝土在模具中成“倒立U型”。对于设传力杆的U形梁，需预先在实心体的每个侧面钻孔加设传力杆，传力杆长度为80 mm，其中外露长度为40 mm。U型梁拆模即为分离式，将其放至标养间(温度为(20±2) ℃，相对湿度为90%以上)养护7 d，然后置于模具底部，在凹槽的底面及2个侧面进行密集钻眼刻槽，分别浇筑CC和ECC修补材料。ECC的配合比及力学性能如下：胶凝材料、水、砂质量比为1.00:0.25:0.30；纤维掺量(质量分数)为1.7%；抗拉强度和抗压强度分别为9.4 MPa和62.8 MPa。为防止U型梁的预裂缝被堵塞，浇筑前在预裂缝处插入1 mm厚的钢片，待抗弯试验前取出。

3) 浇筑完成后将模具及试件整体放置标养间养护至28 d，在U型梁与修补层构成的组合梁表面刻槽并铺筑密级配沥青混凝土，其配比如下：石料、砂、矿粉质量比为63:34:3；沥青质量分数为4.4%。

图1  组合梁尺寸

Fig .1  Dimension of composite beam

复合梁成型完成后，在TONINORM2000试验机上进行三点抗弯试验，加载跨距为280 mm。采用线性位移传感器(LVDT)测定挠度，并控制加载速度为0.1 mm/min，裂纹口张开位移(CMOD)由引伸计测定，加载示意图如图2所示。采用普通光学显微镜及QUANTA 200F型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察ECC受拉后的微观形貌。

图2  三点抗弯试验加载示意图

Fig. 2  Illustration of three-point-bending test

2  实验结果与分析

2.1  裂纹发展分析

对3种复合梁的荷载-CMOD(corack mouth opening displacement)曲线及裂纹发展过程进行对比，如图3所示。图中，“CC”，“ECC”及“ECC-dowel”分别表示裂缝修补材料为CC，ECC及ECC加设传力杆的合梁结构。实验中每组试件为2根，对于CC复合梁，其中1根在加载早期即发生断裂损坏。由图3可知：2种ECC复合梁的裂纹发展形式与CC复合梁的裂纹发展形式明显不同；CC复合梁开裂后裂纹迅速扩展，呈现明显脆性断裂特征，与峰值荷载(约2.5 kN)相对应的裂纹宽度仅为0.06 mm左右；2种ECC复合梁开裂后呈现应变硬化特点，承载力随裂纹宽度增加而增大，荷载达到峰值后缓慢下降，呈明显的延性破坏特征，较普通混凝土大幅度提高。

图3  不同接缝修补材料的复合梁结构荷载-CMOD曲线

Fig. 3  Load-versus-CMOD plot of different composite beams

2种修补材料开裂状态的光学显微图像见图4，3种复合梁的最终破坏状态见图5。3种修补材料均以水泥为胶凝材料，其初始裂纹的产生机理一致：在荷载作用下，胶凝材料达到极限抗拉强度即发生开裂；但裂纹随后的发展形式以及最终状态有显著差异。普通混凝土受到荷载作用时产生脆性裂纹，如图4(a)所示，其迅速发展为1条主裂纹。主裂纹在切口上方延伸至沥青层，结构最终破坏，如图5(a)所示。初始裂纹产生后，2种ECC修补层表面逐渐出现多重细微裂纹，这些微裂纹之间由纤维桥接(图4(b)所示)，呈不规则方向发展。继续加载时，在修补层与水泥混凝土基底层的界面裂缝处形成扭结裂纹并逐渐扩展为1条主裂纹，其与多重细微裂纹共同存在并缓慢发展至结构最终失效，如图5(b)和5(c)所示。由于ECC材料具有较大的承载能力，这个过程与CC复合梁相比发展相当缓慢。由此可以推断：ECC修补材料可以有效防止复合梁的突然破坏，并避免在接缝处产生应力集中。

图4  2种修补材料开裂状态的光学显微图像

Fig. 4  Optical microscopic images of cracking for CC and ECC

图5  3种复合梁的最终破坏状态

Fig. 5  Final failure modes of three types of composite beams

图6所示为采用3种材料修补破损接缝后，复合式路面在行车荷载作用下的裂纹发展示意图。在行车荷载作用下，CC修补材料产生脆性开裂，极易导致AC层发生反射裂缝。ECC材料的多裂纹发展形式使修补层在受拉过程中因纤维的桥接作用应力重新分 布^[7-9]，避免了应力集中，这样，整个AC层一直处于截面受压状态，避免了反射裂缝的产生。

图6  车辆荷载作用下复合式路面的裂纹发展示意图

Fig. 6  Crack development of composite pavements under vehicle loads

2.2  弯曲性能

采用断裂模量(M_OR)^[10]及对应挠度评估3种复合梁抵抗变形的能力。图7所示为3种复合梁的荷载-挠度曲线。断裂模量为试件在最大荷载处的弯曲应力，其计算式为

            (1)

式中：P_max为试件施加的最大荷载，N；L为加载跨距，mm；b为试件厚度，mm；h为修补层高度，mm。由于AC层的弹性模量(约800 MPa)相对于水泥混凝土(弹性模量约为35 GPa)小很多，在施加荷载时基本不受力，故在计算断裂模量时予以忽略；U型混凝土梁因存在切口，也不承受荷载。

3种复合梁的断裂模量及对应挠度见图8。由图8(a)可以看出：CC复合梁的断裂模量为8.0 MPa；ECC和ECC-dowel复合梁的断裂模量平均值分别约为12.7 MPa和11.9 MPa。这2种ECC复合梁的断裂模量与CC复合梁的断裂模量相比增加了约50%，其抗弯能力显著提高。图8(b)所示为复合梁对应断裂模量处的挠度，CC，ECC和ECC-dowel这3种复合梁的挠度均值分别为1.11，3.79和3.65 mm。断裂模量对应的挠度表征了材料的延性特征，ECC复合梁显示出良好延性，表明其作为接缝修补材料的可行性。另外，ECC和ECC-dowel这2种复合梁的断裂模量及对应挠度差别不大，说明ECC基体内纤维的桥接作用是提高复合梁抗变形能力的关键性因素，传力杆无突出贡献。

图7  不同接缝修补材料的复合梁结构荷载-挠度曲线

Fig. 7  Load-deflection curves of different composite beams

2.3  断裂能

断裂能G_f是体现材料性能的重要参数，其定义为形成断裂区单位面积所需消耗的能量，表征材料阻止裂纹扩展的能力。断裂能基于荷载-挠度曲线(见图7)，由下式^[11-12]计算得到：

                (2)

式中：W₀为荷载-挠度曲线下的面积，N·mm；P_w为梁的自重，N；为梁最终破坏时加载点的位移，mm；a₀为初始裂缝宽度，mm。图9所示为3种复合梁的断裂能。从图9可以看出：2种ECC复合梁的单位面积断裂能比CC复合梁的单位面积断裂能提高约10倍，以ECC作为接缝修补材料的复合梁结构具有普通复合梁所无法具有的抗裂缝扩展性能，其对防止新铺AC层产生反射裂缝具有重要意义；ECC与ECC-dowel复合梁的断裂能相似，说明传力杆对提高复合梁抗裂缝扩展能力贡献不大。

图8  3种复合梁的断裂模量及对应挠度

Fig. 8  M_OR and deflection at M_OR for three composite beams

2.4  ECC开裂后微观形貌

当基体内裂纹产生时，纤维在界面的脱黏与滑移对裂纹扩展时的能力消耗有重要影响^[13]。本文采用SEM对ECC破坏断裂后的微观形貌进行观察。图10(a)所示为ECC断裂界面的纤维分布图像，ECC受到破坏荷载后，PVA纤维从基体中被拔出，而不是被直接拉断。图10(b)所示为纤维与基体界面的过渡区微观形貌，可以看出ECC中基体的水化产物紧密包裹住PVA纤维，与文献[14]中钢纤维与基体的结合情况对比，在常温状态下，ECC中纤维与基体的黏结更紧密。ECC受拉达到破坏荷载后，部分纤维脱离基体，由于纤维与基体的黏结特性，在纤维被拔出时产生较大的阻力^[15]，纤维将部分水化产物一起带出整个基体，如图10(c)所示。纤维与基体良好的黏结性及纤维间的桥接作用使ECC具备较强的抵抗变形能力，ECC受拉达到最大应变后，仍有一定的承载能力，宏观表现即为多裂纹形态。

图9  3种复合梁结构的断裂能

Fig. 9  Plot of fracture energy perarea for three composite beams

图10  ECC开裂的SEM像

Fig. 10  SEM images of cracking for ECC

3  结论

1) ECC与CC这2种修补材料的裂纹发展形式存在明显不同：CC复合梁在预切口的上方有1条贯穿CC修补层及延伸至AC层的裂纹；由于ECC材料具有应变硬化、多点开裂的延性特征，在加载过程中，2种ECC复合梁在修补层与水泥混凝土基底层的界面裂缝处形成扭结裂纹并逐渐扩展为1条主裂纹，其与多重细微裂纹共同存在并缓慢发展至结构最终失效。

2) 2种ECC复合梁的断裂模量及对应挠度、断裂能与CC复合梁的相比显著提高，ECC材料良好的抗变形能力可有效防止AC层反射裂缝产生。

3) ECC与ECC-dowel复合梁的断裂模量及对应挠度、断裂能等差别不大，说明ECC基体内纤维的桥接作用对复合梁的抗变形能力起决定作用，传力杆贡献不大。

4) ECC受到破坏荷载后，PVA纤维从基体中被拔出，而不是被直接拉断；由于纤维与基体的黏结特性，纤维被拔出时将部分水化产物一起带出整个基体，纤维与基体良好的黏结性及纤维间的桥接作用进一步证明了ECC具备较强的抵抗变形能力。

参考文献：

[1] 乔鹏. 旧水泥混凝土路面薄层沥青罩面施工技术研究[D]. 西安: 长安大学公路学院, 2009: 10-29.

QIAO Peng. Study of construction technology for old cement concrete pavement with thin asphalt coating[D]. Xi’an: Chang’an University. Highway Institute, 2009: 10-29.

[2] MOLENAAR A A A. Evaluation of pavement structure with emphasis on reflective cracking[C]// Proceedings of the Second International RILEM Conference. Cambridge, USA, 1993: 21-48.

[3] M, LI V C. Engineered cementitious composites: can composites be accepted a crack-free concrete?[J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2010, 2164: 1-8.

[4] LI V C. On engineered cementitious composites (ECC)[J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2003, 1(3): 215-230.

[5] YANG Enhua, WANG Shuxin, YANG Yingzi, et al. Fiber-bridging constitutive law of engineered cementitious composites[J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2008, 6(1): 181-193.

[6] 居贤春, 张君, 王振波, 等. 低干缩延性材料-混凝土复合梁抗弯性能[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2014, 46(4): 75-81.

JU Xianchun, ZHANG Jun, WANG Zhenbo, et al. Flexural performance of LSECC-concrete composite beam[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2014, 46(4): 75-81.

[7] FISCHER G, LI V C. Influence of matrix ductility 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 slabs[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2002, 14(3): 253-261.

[9] BENTUR A, MINDESS S. Fibre reinforced cementitious composites[M]. Boca Raton, USA: CRC Press, 2006: 1-20.

[10] BAUANT Z P, NOVAK D. Proposal for standard test of modulus of rupture of concrete with its size dependence[J]. ACI Materials Journal, 2001, 98(1): 79-87.

[11] PRASAD B K R. Fracture mechanics of concrete[J]. Sadhana, 2002, 27(4): 411-412.

[12] C, ELICES M, GUINEA G V. Fracture of model concrete: 2. Fracture energy and characteristic length[J]. Cement and Concrete Research, 2006, 36(7): 1345-1353.

[13] ABU-LEBDEH T, HAMOUSH S, HEARD W, et al. Effect of matrix strength on pullout behavior of steel fiber reinforced very-high strength concrete composites[J]. Construction and Building Materials, 2011, 25(1): 39-46.

[14] 张倩倩, 魏亚, 张景硕, 等. 钢纤维掺量对活性粉末混凝土断裂性能的影响[J]. 建筑材料学报, 2014, 17(1): 24-29.

ZHANG Qianqian, WEI Ya, ZHANG Jingshuo, et al. Influence of steel fiber content on fracture properties of RPC[J]. Journal of Building Materials, 2014, 17(1): 24-29.

[15] CHAN Yinwen, CHU S H. Effect of silica fume on steel fiber bond characteristics in reactive powder concrete[J]. Cement and Concrete Research, 2001, 34(7): 1167-1172.

(编辑  陈灿华)

收稿日期：2015-01-10；修回日期：2015-03-25

基金项目(Foundation item)：云南省交通厅科技项目(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：魏亚，副教授，博士生导师，从事结构材料与道路工程研究；E-mail: yawei@tsinghua.edu.cn