多场耦合下路面混凝土细观裂缝的演化规律

第４５卷第６期　２０１７年６月　

华南理工大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．４５　ＮＯ．６　

Ｊｕｎｅ　２０１７　

文章编号：１０００—５６５Ｘ（２０１７）０６—００８１—０８　

多场耦合下路面混凝土细观裂缝的演化规律丰　覃潇　申爱琴　郭寅川　周胜波　何天钦　（１．长安大学公路学院，陕西西安７１００６４；２．广两交通科学研究院，广西南宁５３０００７）　

摘　要：细观裂缝的演化与空间展布规律是影响路面混凝土耐久性的关键因素．为明确　寒冷地区路面混凝土在实际工作环境下结构内部微裂缝的萌生、扩展、压缩等演化规律，　基于多场疲劳试验．针对路面混凝土内部结构进行了ＳＥＭ、ＣＴ扫描及图像分割，通过对比　分析荷载单场、荷载一冻融双场及荷载一冻融一干湿循环三场耦合下的裂缝面积密度、平　均裂缝宽度、最大裂缝长度及盒分形维数特征，从细观尺度揭示了不同荷载水平、耦合方　案下微裂缝的动态损伤发展规律．结果表明：单荷载作用下，随荷载次数增加，最大裂缝长　度呈萌生一闭合一延伸交替变化，宽度表现为压缩一扩张交替变化，分形维数先增后减；　荷载一冻融双场耦合引发的结晶膨胀应力促使裂缝面积密度及最大裂缝长度单调增加，　８０％荷裁水平时，混凝土在较小裂缝长度、宽度下便发生疲劳破坏；荷载一冻融一干湿循　环三场耦合下，附加干缩应力沿裂缝方向产生收缩应力，在垂直裂缝方向产生压缩应力，　促使裂缝沿长度方向延伸，宽度减小，同时伴随更多微裂缝成核．　关键词：裂缝演化；多场耦合；路面混凝土；图像分割；动态损伤；发展规律　中图分类号：Ｕ４１４　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—５６５Ｘ．２０１７．０６．０１３　

近年来，相当数量的水泥混凝土路面在运行　３～５年就发生开裂、断板、板底脱空等病害，不仅造　成耐久性大幅下降，且安全性能堪忧’　．究其原　因，在于路面混凝土直接裸露在行车荷载与大气环　境中，长期受到弯拉荷载、温度和湿度等多物理场的　非线性耦合作用，工作环境复杂，而目前设计当中尚　未考虑多因素对路面混凝土的耦合作用效应　．　尤其对于气候恶劣的北方寒冷干湿交替区，路面混　凝土在荷载一冻融一干湿循环的不断作用下极易加　剧裂缝发育，最终导致疲劳破坏，而混凝土内部结构　细观裂缝的萌生、扩展及贯通直接决定结构断裂破　坏以至宏观失稳　．　目前对于混凝土裂缝的相关研究多侧重于力学　理论基础上的宏观断裂破坏　。　，此种方法仅能从　整体上把握混凝土宏观性能变化规律，而无法获知　混凝土结构内部裂缝从萌生到形成宏观裂缝的整个　损伤发展过程，难以从本质上揭示混凝土破坏的物　理机制．因此，要深入揭示路面混凝土在多场作用下　的裂缝演化损伤破坏机制，需从细观尺度水平人手　开展研究．国内外有关细观尺度水平微裂缝的研究　成果主要集中于假定裂缝理论模型基础上的数值模　拟研究¨　”ｊ，然而由于理论模型过于理想化、不符　合结构内部裂缝弥散分布的实际情况，模拟得到的　预测结果通常误差较大．凶此，基于数字化图像处理　技术＿ｌ　研究多场耦合作用下路面混凝土细观裂　缝的演化规律，对于揭示路面混凝土破坏机理、解释　混凝土路面在实际Ｔ作环境下的性能动态变化过程　具有重要意义．　文中针对我国寒冷干湿交替区的路面混凝土，　借助荷载单场、荷载一冻融双场以及荷载一冻融一　

收稿日期：２０１６－０８—２９　基金项日：国家自然科学基金资助项目（５１２７８０５９）；长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（３１０８２１１７５０１４）　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｉｔｅｍ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎａｔｍ’ａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｔ　Ｃｈｉｎａ（５　ｌ　２７８０５９）　作者简介：覃潇（１９９２一），女，博＿＿｝＝生，主要从事道路材料研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｎｎａｏ＠１２６．ｃｏｒｎ　４５咎　ｔ　循环＝＝＝＝场耦合卜的疲劳试验，采月｛ＳＥＭ、ＣＴ试　验　Ｉ皇１像分割技术刈‘细观裂缝进行定量化分析，通　过研究裂缝面干Ｊｌ钎度、平均裂缝宽度、最大裂缝长度　及分彤维数特　，揭示不同荷载水平、耦合方案下路　面混凝卜的细观裂缝演化规律．　１　试验设计　１．１　啄材料及配合比　水　采刚篼尔Ｐ．Ｏ　４２．５Ｉ｛　通硅酸盐水泥；矿　物掺合料为制川￥９５级矿粉及韩城Ｉ级粉煤灰，技　术指怀　表１；＇卡ｌ【　料采川寓　石灰岩本行，分为　４．７５～９．５０　ｉ／ｌｌｎ　Ｉ　９．５０～ｌ９．００　Ｉｎｎｌ两档，混合比例　为１：４，性能指标弹　表２；细集料采川潮桥河砂，细　发模数为２．６，表规密度为２．６５　ｇ／ＣＩｌｌ　；外加剂为　ＫＩ）ＳＩ’一ｌ　高性能减水剂，减水牢为２５％，　气量为　３％～６％：水为ｐ　安ｆ『了政自来水．　＆１　矿粉埂粉　灰技术指标　ａｂｌｅ　１　Ｔ　Ｉｌｌｌｉ（　ａｌ　ｉｎｄｅｘｓ　ｏｆ　ｓｌａｇ　ａｎｄ　ｔｌｙ：ｌｓｈ　２粗集料　小　能指标　Ｔａｌ’ｌｔ　２　Ｆｕｎｄａｎｕ＇ｕｔａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｉｎ＆　ＫＳ　ｏｆ　ｃ（）ａＩ＇ｓｔ￣ａｇｇｒｅｇａｔｅ　｛；虑重裁、特　交通条件，路面混凝’１　２８　ｄ抗　弯十　发应分别小低于４．５干¨５．０　ＭＰａ，＾叟以Ｃ３０、　Ｃ４０路　混凝土为埘象进行多场耦合下的微裂缝演　化规　研究．掺『Ｊ（　物掺合料的混凝土慢度完全形　成约　９０ｄ，　此ｆ１』ｆ＝究中混凝十养护龄期为９０ｄ．经　耐久　优化后的路　混凝土配合比见表３．　３路　混凝…　合比　ａｌｄｅ　３　Ｍｉｘ　Ｉ）１　ＯｐＯ［ｔｉｏｎ　ｌｌｆ１　１）ａｖｅｎｌｅｉｑｔ　ＣＯｎＣＩｅｈ　标　Ｃ３（）　（：４０　水胶　比　，ｋ泥　０．　４　２８５　５７　３８　ｌ　１９　１　ｌ　８５　７２６　２　２８　０．３４　３１５　６３　４２　ｌ４３　１　ｌ１４　７３４　２．５２　１．２　疲劳试验方法　据ＪＴ（；一Ｅ３０－－２００５《公路工程水泥及水泥混　凝土试验规程》成　４　１　００［Ｍｉｌｌ×ｌ　００　Ｉｌｌｌｌｌ×４００　ｎｌｌｌｌ棱柱　体试件，将Ｊ　移人标准养护稍（濉发（２０±１）　，　对　湿度≥９５％）中放　９０ｔ１．　｛　１：哉疲　验采月＿Ｊ　ＭＴＳ　８１０疲劳试验机　腮，杉虑刽ｉ　７ｒ衙载　ｊ路面　的接触状态　动态变化，采川ｌｌ　坂波ｉ分　？，ｔＤＨ找，ＪＪＩ１　载频率】０ｌｔｚ，低高应　儿匕０．１；　帧拟耦合环境，将　以上疲劳试验机与ＢＥ一　卜Ｈ１５０１ｔ８　Ｊ　可程式　＾　湿箱进行合理组　，　水泥濉凝１　件提ｆ，ｔｋ、　１＂４Ｊ试　验环境，改装后的疲劳　验机『』【１　ｌ昕示．　虑交通　倚载作ｊ｛｛的瞬时性＿及冻融、｛　循环的时效　，路嘶　混凝土在文际＿ｒ作环境Ｉｆ１并　持续　受多场荆合作　用，因此除卡禺合作ｆＨ　ｌ１、ｆ　ｎ１】段外，还没置交　作ｔＩｊ阶　段．为提高试验效率，混凝十的交杵作川阶段果川　．　独的疲劳试验机、快速冻融试验机　恒温　衔进　行模拟．试验按时问递进次序选择４个阶段　ｉ１（ｉ、　Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ进行，每阶段均在ｎｔ』一阶段摹砌Ｉ　累汁进　行，在各阶段结束　进ｆ　观裂缝　ｉＪｉ＝验．　

１　虾境披　机　Ｆｉｇ．Ｉ　Ｆａｔｉｇｕｅ　ｔｅｓｈ　Ｉ．ｗｉｔｈ（＇ｏｕｐｌｉ）ｌｇ　ｆｍｗｌｉｏｎａｌｉｌｖ　

１．３　参数确定及耦合方案设计　１．３．１　疲劳荷载应力水平　当心力低丁０．　／＝　（　．　为濉凝ｔｚ￣／Ｃ蛮托曲　度）　时，路而混凝士的应力、应变成线　系，　破坏所　需周期较长；当应力巡过０．　ｈ５，幢乃一ｆ、　Ｉｔｔｔ线　呈非线性，　会对混凝十结构造成　性损伤；　：施加　应力过离（＞０．８ｔ；．，），试件易过１ｔ１．发生破坏，难以对　其做裂缝演化状态进仃有效捕捉．　此，疲仿　找应　力水平没为３０％、５０ｃＡ　ｆｌ１　８（）　，，Ｊ＼！ＪｊｌＪ刈‘『１　扇ＪＩｉｌ＿Ｊ低筒　载水平、普通荷载水　低删尚倚戕水平损伤３利　情况．疲劳试验，Ｐ）ＬＴＪｉｌ找述率为３．６，Ｊ．次／ｌ１．　１．３．２　温度及湿度水平　针埘路面混凝土耐久忭分ｌ　所对应的冻融地区　温湿环境，选择冻融衙环范　为一１　８～５　，　循　环范『韦Ｉ为４０％～８０％，７Ｉ上次冻融循　时间　ｊ　ｆ　循　环时间均为４ｈ，持续进行．　第６期　覃潇等：多场耦合下路面混凝土细观裂缝的演化规律　１．３．３耦合方案　为明确耦合条件对路面混凝土裂缝演化的影　响，设计荷载单因素及荷载一冻融双因素组作为对　照组，耦合方案见表４．由于８０％荷载水平与温湿度　耦合时存在材料损伤较快的现象，因此适量减少其　荷载、冻融次数及测试间隔，对于三场与双场、单场　耦合之间的作用次数关系同样按以上原则设计，其　中８０％荷载水平下三场耦合试验仅包括３个阶段．　表４耦合试验方案”　ＴａｂＬｅ　４　Ｃｏｕｌｐｉｎｇ　ｔｅｓｔｓ　ｐｒｏｇｒａｍ　１）表中百分数表示荷载水平；疲劳茼载加载单位为“万次”，冻　融循环单位为“次”，千湿循环单位为“月”；均对各组耦合试验最后　阶段结束前未断裂的试件加载至疲劳破坏．　本研究设计的耦合阶段与交替阶段顺序见图２．　１　．　Ⅱ　．　１ＩＬ　．　Ｉ、　笪型　．４ＹＹ　．笪载８万次—笪戡４．８万次　双场５０ｃ／ｃ标养混凝土冻融１５０次冻融７５次冻融７５次＋疲劳破坏　耦合交替祸合交替耦合　交替　生王　４．８万次　４．８万移　载４。８万次　蚁场８０％标养混凝土盗世　丛速世　丛盗逊　丛±壁董照坏　耦合交替耦合交替耦合　交替　茼载７　２万次倚载２．４万次衙载２．４万次　冻融７５次冻融２５次　冻融２５次　三场５０％标养混凝土　面、月下殛１个月ｊ！而１个月＋疲劳破坏　耦合交替耦合交替耦合　交替　倚戴２．４万次荷裁２　４万次　冻融２５次冻融２５次　三场㈤％标养混凝土工遑！仝　土星！仝　±照　破坏　—｝————————　—｝—————————　耦合交替耦合　交替　图２耦合与交替阶段试验顺序流程图　Ｆｉｇ．２　Ｆｌｏｗ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｎｄ　ａｈｅｒｎａ—　ｔｉｖｅ　ｓｔａｇｅｓ　１．４路面混凝土细砚裂缝表征方法　混凝土裂缝分为小　度卜了大　度裂缝，试验采　用日本Ｈｉｔａｃｈｉ　Ｓ－４８００场发射手ｊ描电子　微镜观察　试件表面的小尺度裂缝，采用ＡＣｒｒＩＳ３００—３２０／　２２５ＣＴ／ＤＲ高分辨率ｌ　业ＣＴ对疲劳破坏的试件进　行大尺度裂缝无损表征．经扫描后对ＳＥＭ以及ＣＴ　图像进行增强与分割，采用ｈｎａｇｅ　Ｐｔ‘Ｏ　Ｐｌｕｓ软件进行　罔像特征参数提取（见冈３），裂缝参数包括裂缝面　积密度、平均裂缝宽度、最大裂缝长度及盒分形维数．