覃潇 申爱琴 郭寅川 周胜波,2 何天钦

(1.长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064; 2.广西交通科学研究院, 广西 南宁 530007)

多场耦合下路面混凝土细观裂缝的演化规律*

覃潇1申爱琴1郭寅川1周胜波1,2何天钦1

(1.长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064; 2.广西交通科学研究院, 广西 南宁 530007)

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-冻融双场及荷载-冻融-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-闭合-延伸交替变化,宽度表现为压缩-扩张交替变化,分形维数先增后减;荷载-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%荷载水平时,混凝土在较小裂缝长度、宽度下便发生疲劳破坏;荷载-冻融-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.

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

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[1- 2].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[3- 7].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-冻融-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[8].

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[9- 12],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,需从细观尺度水平入手开展研究.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[13- 15],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.因此，基于数字化图像处理技术[16- 19]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工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-冻融双场以及荷载-冻融-干湿循环三场耦合下的疲劳试验,采用SEM、CT试验和图像分割技术对细观裂缝进行定量化分析,通过研究裂缝面积密度、平均裂缝宽度、最大裂缝长度及分形维数特征,揭示不同荷载水平、耦合方案下路面混凝土的细观裂缝演化规律.

1 试验设计

1.1 原材料及配合比

水泥采用冀东P.O 42.5R普通硅酸盐水泥;矿物掺合料为铜川S95级矿粉及韩城Ⅰ级粉煤灰,技术指标见表1;粗集料采用富平石灰岩碎石,分为4.75～9.50 mm和9.50～19.00 mm两档,混合比例为1∶4,性能指标详见表2;细集料采用灞桥河砂,细度模数为2.6,表观密度为2.65 g/cm3;外加剂为KDSP-1型高性能减水剂,减水率为25%,含气量为3%～6%;水为西安市政自来水.

表1 矿粉及粉煤灰技术指标Table 1 Technical indexs of slag and fly ash

表2 粗集料基本性能指标Table 2 Fundamental property indexs of coarse aggregate

考虑重载、特重交通条件,路面混凝土28 d抗弯拉强度应分别不低于4.5和5.0 MPa,故以C30、C40路面混凝土为对象进行多场耦合下的微裂缝演化规律研究.掺加矿物掺合料的混凝土强度完全形成约需90 d,因此研究中混凝土养护龄期为90 d.经耐久性优化后的路面混凝土配合比见表3.

表3 路面混凝土配合比Table 3 Mix proportion of pavement concrete

1.2 疲劳试验方法

根据JTG_E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》成型100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件,将其移入标准养护箱(温度(20±1) ℃,相对湿度≥95%)中放置90 d.弯拉荷载疲劳试验采用MTS-810疲劳试验机开展,考虑到行车荷载与路面的接触状态呈动态变化,采用正弦波三分点加载,加载频率10 Hz,低高应力比0.1;为模拟耦合环境，将以上疲劳试验机与BE-T-H150H8型可程式恒温恒湿箱进行合理组装，为水泥混凝土试件提供密闭试验环境，改装后的疲劳试验机如图1所示.考虑交通荷载作用的瞬时性及冻融、干湿循环的时效性，路面混凝土在实际工作环境中并非持续经受多场耦合作用，因此除耦合作用时间段外，还设置交替作用阶段.为提高试验效率，混凝土的交替作用阶段采用单独的疲劳试验机、快速冻融试验机及恒温恒湿箱进行模拟.试验按时间递进次序选择4个阶段点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ进行,每阶段均在前一阶段基础上累计进行,在各阶段结束后进行细观裂缝表征试验.

图1 耦合环境疲劳试验机Fig.1 Fatigue tester with coupling functionality

1.3 参数确定及耦合方案设计

1.3.1 疲劳荷载应力水平

当应力低于0.3fcu(fcu为混凝土抗弯拉强度)时,路面混凝土的应力、应变成线性关系,其破坏所需周期较长;当应力超过0.3fcu后,应力-应变曲线呈非线性,并会对混凝土结构造成塑性损伤;若施加应力过高(>0.8fcu),试件易过早发生破坏,难以对其微裂缝演化状态进行有效捕捉.因此,疲劳荷载应力水平设为30%、50%和80%,分别对应高周低荷载水平、普通荷载水平和低周高荷载水平损伤3种情况.疲劳试验机加载速率为3.6万次/h.

1.3.2 温度及湿度水平

针对路面混凝土耐久性分区所对应的冻融地区温湿环境,选择冻融循环范围为-18～5 ℃,干湿循环范围为40%～80%,每次冻融循环时间与干湿循环时间均为4 h,持续进行.

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-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1)Table 4 Coulping tests program

1)表中百分数表示荷载水平；疲劳荷载加载单位为“万次”，冻融循环单位为“次”，干湿循环单位为“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.

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 alternative stages

1.4 路面混凝土细观裂缝表征方法

混凝土裂缝分为小尺度与大尺度裂缝,试验采用日本Hitachi S-4800场发射扫描电子显微镜观察试件表面的小尺度裂缝,采用ACTIS300-320/225CT/DR高分辨率工业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Image-Pro Plus软件进行图像特征参数提取(见图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.

图3 C40混凝土SEM及CT图像分割Fig.3 SEM and CT image segmentation of C40 concrete

分形维数可从总体上描述微裂缝的分布特征,其值越大,裂隙分布越不均匀，扩散系数越大.分形维数通过计盒维数法计算:设A为混凝土数字图像构成的平面集合,C为裂缝集合,在图像A上以δ为尺度用Matlab实施正方形网格划分(见图4),δ取值为δ=2i,其中i=1，2，…，n.改变δ的大小，记录C与正方形网格相交的数目N,对N和δ同时取对数作图,并利用最小二乘法进行拟合回归,得到曲线斜率的负值，即为微裂缝的盒维数(D),具体由式(1)、(2)计算：

(1)

1gN=1gC-Dlgδ

(2)

图4 网络划分示意图Fig.4 Schematic diagram of mesh partition

2 荷载单因素作用下的裂缝演化规律

图5(a)-5(d)为不同荷载水平下混凝土细观结构裂缝参数与荷载次数、荷载水平间的关系.

由图5(a)、5(b)中裂缝面积密度及宽度变化过程可知,随着荷载次数的增加,细观结构内部裂缝面积密度逐渐增大,裂缝宽度出现收缩-扩张交替变化,30%荷载水平时转折点为14.4万次,当荷载水平超过50%后,宽窄交替变化愈加频繁,出现14.4万次和21.6万次2个转折点.

图5 荷载作用下的各阶段裂缝结构参数

Fig.5 Parameters of crack structure in different stages subjected to load

从图5(c)最大裂缝长度的变化过程可知,30%和50%荷载水平下细观结构最大裂缝长度呈增大-减小-增大波状变化,说明其变化是萌生-闭合-延伸的交替过程;80%荷载水平时最大裂缝长度单调增加,发展主要以延伸为主,可见80%的疲劳荷载在裂缝尖端产生的应力足以超过结构内部阻力.对于以上现象,推测为应力集中和应力扩散的综合效应,荷载产生的内应力可分解为沿裂缝长度方向的剪应力和沿着宽度方向的压应力,且剪应力更大.

由图5(d)可见,30%荷载水平时裂缝分形维数单调降低,而50%荷载水平和80%荷载水平时,裂缝分形维数先小幅增加后迅速减小,可见荷载水平较小时由于裂缝长度小,其弯折程度也小,而荷载水平超过50%时,裂缝扩展过程前期以弯曲路径发展,而后期以单一方向发展为主.

总体来说,荷载单因素作用下路面混凝土细观结构受到荷载压缩和弯拉两种作用效果的应力,其中弯拉应力起主要破坏作用.荷载作用下的混凝土疲劳是内部应力集中和应力扩散交替进行的过程,混凝土最终疲劳断裂时造成细观结构的裂缝面积密度增加、最大裂缝长度延伸及裂缝宽度扩张,伴随着裂缝扩展方向的随机性减小,更易于沿着某些主裂缝方向进行扩展.

3 荷载-冻融双场耦合作用下的裂缝演化规律

试验表明,混凝土在30%荷载水平下经历400万次疲劳荷载作用后尚未出现疲劳破坏,因此双场耦合时不考虑该荷载水平.图6(a)-6(d)为荷载-冻融循环耦合下混凝土细观裂缝参数与耦合次数、荷载水平间的关系图.

图6 双场耦合下的各阶段裂缝结构参数

Fig.6 Parameters of crack structure in different stages under the double-field coupling

由图6可知,随着耦合时间的延长,路面混凝土裂缝面积密度、平均裂缝宽度和盒分形维数的变化趋势与荷载单独作用时基本相同,但最大裂缝长度存在差异,双场耦合时最大裂缝长度呈单调增加.由此可见,双场耦合的应力叠加效应在裂缝尖端有较大应力集中,未表现出单荷载下裂缝的萌生-闭合-延伸现象.80%荷载-冻融耦合比50%荷载-冻融耦合的最终裂缝最大长度短,说明高应力水平下产生的应力集中程度更大,混凝土在较小的疲劳次数下就发生断裂破坏.

对比图5与图6中Ⅳ阶段结果发现,与单荷载相比,双场耦合下混凝土疲劳破坏时的裂缝演化规律如下:

(1)双场耦合下混凝土裂缝宽度较窄,C30混凝土平均裂缝宽度分别较单场窄4.05 μm(50%荷载水平下)和7.8 μm(80%荷载水平下),而C40混凝土平均裂缝宽度较单场分别窄3.25 μm(50%荷载水平下)和6.15 μm(80%荷载水平下);50%荷载水平下双场耦合最大裂缝长度较大,C30和C40混凝土最大裂缝长度分别比单场大51.85 μm和40.01 μm,80%荷载水平下双场耦合最大裂缝长度较小,C30和C40混凝土最大裂缝长度比单场分别小222.55 μm和201.68 μm.说明冻融循环在裂缝处产生的低温结晶膨胀应力主要沿平行裂缝长度方向,且应力集中程度较大,造成的混凝土变形主要发生在裂缝长度方向,其中荷载水平为80%时,由于内部产生的应力集中未能及时通过体积变形消散,故在较小裂缝长度、宽度下结构便发生脆性断裂.

(2)50%荷载-冻融耦合时,C30、C40混凝土裂缝面积密度较单场分别增加了0.56%和0.85%,而80%荷载-冻融耦合时,C30、C40混凝土裂缝面积密度较单场分别小4.61%和3.43%,可见冻融和较低荷载应力叠加时有更多微裂缝成核,而与较高应力叠加时则主要造成裂缝长度延伸.

对于分形维数,50%荷载水平下双场的比单场大0.011(C30混凝土)和0.003(C40混凝土),80%荷载水平下双场的比单场大0.023(C30混凝土)和0.005(C40混凝土),以图7中C40混凝土50%荷载水平作用下的单场、双场微观形貌及分割图(分割图中的标记代表微裂缝和孔隙缺陷)为例,可推断在冻融循环下,大孔隙中的自由水存在频繁结晶膨胀现象,造成孔隙边缘微裂缝成核,导致分形维数增加.

图7 50%荷载水平下C40混凝土疲劳破坏的微观形貌及分割图

Fig.7 Micrographs and segmentation images of C40 concrete with fatigue damage under 50% loading condition

因此,冻融循环在裂缝处产生的低温结晶膨胀剪应力与荷载弯拉应力叠加后,使结构沿裂缝长度方向产生更大应力集中,同时大孔内冻融结晶膨胀应力方向随机性强,造成孔隙边缘微裂缝大量汇集.

4 荷载-冻融-干湿三场耦合作用下的裂缝演化规律

图8(a)-8(d)为荷载-冻融-干湿循环三场耦合下路面混凝土细观裂缝参数与耦合次数、荷载水平间的关系图,其中C30混凝土和C40混凝土变化规律相似.

由图8可知,50%荷载水平下,三场耦合时裂缝结构参数变化趋势与荷载-冻融双场耦合时相同,但在80%荷载水平下,由于路面混凝土疲劳寿命明显缩短,平均裂缝宽度仅有下降段,裂缝分形维数仅有上升段.究其原因，在于在双场基础上叠加了干湿循环,产生了附加收缩应力,导致裂缝宽度压缩程度大,且应力越高裂缝压缩持续时间越长.此外，80%荷载水平三场耦合下的裂缝分形维数和最大裂缝长度比50%荷载水平时有所降低,表明该条件下内部应力集中程度较大且快,体系不能及时通过结构变形以缓解内应力的集中,导致在短时间内出现混凝土断裂.

对比图6与图8可知,与双场耦合相比,三场耦合下路面混凝土疲劳破坏时裂缝结构参数的变化情况如下:

图8 三场耦合下的各阶段裂缝结构参数

Fig.8 Parameters of crack structure at different stages under the three-field coupling

(1)混凝土最大裂缝长度较大,而裂缝宽度较窄.C30混凝土最大裂缝长度较双场增加了29.47 μm(50%荷载水平下)和32.03 μm(80%荷载水平下),C40混凝土最大裂缝长度较双场增加41.61 μm(50%荷载水平下)和17.21 μm(80%荷载水平下);C30混凝土平均裂缝宽度较双场减小2.64 μm(50%荷载水平下)和8.04 μm(80%荷载水平下),C40混凝土减小1.32 μm(50%荷载水平下)和5.05 μm(80%荷载水平下).这表明在荷载-冻融耦合基础上叠加干湿循环会促进裂缝长度延伸,抑制裂缝宽度扩张.

(2)50%荷载水平三场耦合下C30、C40混凝土裂缝面积密度较双场增加了0.23%和0.08%,80%荷载水平时C30、C40混凝土裂缝面积密度比双场耦合下分别降低了0.93%和1.06%,主要是由于三场耦合下混凝土疲劳寿命明显缩短造成的;C30混凝土裂缝分形维数较双场增加了0.003(50%荷载水平下)和0.021(80%荷载水平下),C40混凝土增加了0.006(50%荷载水平下)和0.022(80%荷载水平下),表明干湿循环的叠加促使混凝土疲劳破坏时裂缝分布复杂程度增加.

以80%荷载水平双场、三场下的C40混凝土微观形貌及分割图为例(见图9),可见干湿循环促进裂缝宽度压缩,面积密度增加,尤其体现在沿裂缝长度方向的延伸上,同时造成了细微裂缝进一步成核.

图9 80%荷载水平下C40混凝土疲劳破坏的微观形貌及分割图

Fig.9 Micrographs and segmentation images of C40 concrete with fatigue damage under 80% loading condition

5 结论

(1)荷载单独作用时,随荷载次数增加,路面混凝土微裂缝面积密度单调增加,最大裂缝长度变化呈萌生-闭合-延伸的交替状态,裂缝宽度则表现为压缩-扩张交替变化,裂缝分布复杂程度(分形维数)则先增加后减小.

(2)荷载-冻融循环双场耦合作用引发的结晶膨胀应力叠加效应促使裂缝密度及最大裂缝长度单调增加;与单荷载作用相比,在疲劳破坏时存在更多微裂缝成核,荷载水平为80%时,由于内部产生的集中应力未能及时通过体积变形消散,故在较小裂缝长度、宽度下结构便发生贯穿性断裂.

(3)荷载-温度-湿度三场耦合下的裂缝演化规律与双场时相似,但因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,而宽度减小,同时伴随更多微裂缝成核.

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Evolution Rule of Microcosmic Cracks in Pavement Concrete Under Multi-Field Coupling

QIN Xiao1SHEN Ai-qin1GUO Yin-chuan1ZHOU Sheng-bo1,2HE Tian-qin1

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China;2.Guangxi Transport Research Institute,Nanning 530007, Guangxi, China)

The evolution and spatial distribution rule of microcosmic cracks are two key factors affecting the durabi-lity of pavement concrete. In order to explore the evolution of microcracks initiation, propagation and compression for pavement concrete in actual working environment in cold regions, multi-field fatigue tests were conducted, and SEM, CT and image segmentation techniques were adopted to compare the crack characteristics such as area density, average width, maximum length and fractal dimension for specimens respectively in a single field, in double fields and in three-field coupling condition. Then, the dynamic damage rules of microcracks under different loading levels and with different coupling schemes were discussed in meso scale. The results show that (1) under the action of single load, the maximum length of cracks shows a “initiating-closing-extending” trend, while the average width reveals a “compressing-expanding” trend, and the fractal dimension first increases and then decreases with the increase of loading cycles; (2) the crystallization swelling stress initiated by loading-freezing-thawing coupling effect makes the crack area density and the maximum crack length both increase, and the concrete reveals fatigue failure with small crack length and width under 80% loading condition; (3) under the loading-freezing-thawing-wetting-drying three-field coupling condition, the additional dry shrinkage stress causes a shrinkage stress in the parallel direction of the crack and a compressive stress in the vertical direction of the crack, which makes the crack length increase, the crack width decrease, and more micro-cracks nucleate.

crack evolution; multi-field coupling; pavement concrete; image segmentation; dynamic damage; developing rule

2016- 08- 29

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 Natural Science Foundation of China(51278059)

覃潇(1992-),女,博士生,主要从事道路材料研究.E-mail:qinnao@126.com

1000- 565X(2017)06- 0081- 08

U 414

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.06.013