覃瀟 申愛琴 郭寅川 周勝波,2 何天欽

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2.廣西交通科學(xué)研究院, 廣西 南寧 530007)

多場耦合下路面混凝土細觀裂縫的演化規(guī)律*

覃瀟1申愛琴1郭寅川1周勝波1,2何天欽1

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2.廣西交通科學(xué)研究院, 廣西 南寧 530007)

細觀裂縫的演化與空間展布規(guī)律是影響路面混凝土耐久性的關(guān)鍵因素.為明確寒冷地區(qū)路面混凝土在實際工作環(huán)境下結(jié)構(gòu)內(nèi)部微裂縫的萌生、擴展、壓縮等演化規(guī)律,基于多場疲勞試驗,針對路面混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了SEM、CT掃描及圖像分割,通過對比分析荷載單場、荷載-凍融雙場及荷載-凍融-干濕循環(huán)三場耦合下的裂縫面積密度、平均裂縫寬度、最大裂縫長度及盒分形維數(shù)特征,從細觀尺度揭示了不同荷載水平、耦合方案下微裂縫的動態(tài)損傷發(fā)展規(guī)律.結(jié)果表明:單荷載作用下,隨荷載次數(shù)增加,最大裂縫長度呈萌生-閉合-延伸交替變化,寬度表現(xiàn)為壓縮-擴張交替變化,分形維數(shù)先增后減;荷載-凍融雙場耦合引發(fā)的結(jié)晶膨脹應(yīng)力促使裂縫面積密度及最大裂縫長度單調(diào)增加,80%荷載水平時,混凝土在較小裂縫長度、寬度下便發(fā)生疲勞破壞;荷載-凍融-干濕循環(huán)三場耦合下,附加干縮應(yīng)力沿裂縫方向產(chǎn)生收縮應(yīng)力,在垂直裂縫方向產(chǎn)生壓縮應(yīng)力,促使裂縫沿長度方向延伸,寬度減小,同時伴隨更多微裂縫成核.

裂縫演化；多場耦合；路面混凝土；圖像分割；動態(tài)損傷；發(fā)展規(guī)律

近年來,相當(dāng)數(shù)量的水泥混凝土路面在運行3～5年就發(fā)生開裂、斷板、板底脫空等病害,不僅造成耐久性大幅下降,且安全性能堪憂[1- 2].究其原因,在于路面混凝土直接裸露在行車荷載與大氣環(huán)境中,長期受到彎拉荷載、溫度和濕度等多物理場的非線性耦合作用,工作環(huán)境復(fù)雜,而目前設(shè)計當(dāng)中尚未考慮多因素對路面混凝土的耦合作用效應(yīng)[3- 7].尤其對于氣候惡劣的北方寒冷干濕交替區(qū),路面混凝土在荷載-凍融-干濕循環(huán)的不斷作用下極易加劇裂縫發(fā)育,最終導(dǎo)致疲勞破壞,而混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)細觀裂縫的萌生、擴展及貫通直接決定結(jié)構(gòu)斷裂破壞以至宏觀失穩(wěn)[8].

目前對于混凝土裂縫的相關(guān)研究多側(cè)重于力學(xué)理論基礎(chǔ)上的宏觀斷裂破壞[9- 12],此種方法僅能從整體上把握混凝土宏觀性能變化規(guī)律,而無法獲知混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫從萌生到形成宏觀裂縫的整個損傷發(fā)展過程,難以從本質(zhì)上揭示混凝土破壞的物理機制.因此，要深入揭示路面混凝土在多場作用下的裂縫演化損傷破壞機制,需從細觀尺度水平入手開展研究.國內(nèi)外有關(guān)細觀尺度水平微裂縫的研究成果主要集中于假定裂縫理論模型基礎(chǔ)上的數(shù)值模擬研究[13- 15],然而由于理論模型過于理想化、不符合結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫彌散分布的實際情況,模擬得到的預(yù)測結(jié)果通常誤差較大.因此，基于數(shù)字化圖像處理技術(shù)[16- 19]研究多場耦合作用下路面混凝土細觀裂縫的演化規(guī)律,對于揭示路面混凝土破壞機理、解釋混凝土路面在實際工作環(huán)境下的性能動態(tài)變化過程具有重要意義.

文中針對我國寒冷干濕交替區(qū)的路面混凝土,借助荷載單場、荷載-凍融雙場以及荷載-凍融-干濕循環(huán)三場耦合下的疲勞試驗,采用SEM、CT試驗和圖像分割技術(shù)對細觀裂縫進行定量化分析,通過研究裂縫面積密度、平均裂縫寬度、最大裂縫長度及分形維數(shù)特征,揭示不同荷載水平、耦合方案下路面混凝土的細觀裂縫演化規(guī)律.

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料及配合比

水泥采用冀東P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥;礦物摻合料為銅川S95級礦粉及韓城Ⅰ級粉煤灰,技術(shù)指標(biāo)見表1;粗集料采用富平石灰?guī)r碎石,分為4.75～9.50 mm和9.50～19.00 mm兩檔,混合比例為1∶4,性能指標(biāo)詳見表2;細集料采用灞橋河砂,細度模數(shù)為2.6,表觀密度為2.65 g/cm3;外加劑為KDSP-1型高性能減水劑,減水率為25%,含氣量為3%～6%;水為西安市政自來水.

表1 礦粉及粉煤灰技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexs of slag and fly ash

表2 粗集料基本性能指標(biāo)Table 2 Fundamental property indexs of coarse aggregate

考慮重載、特重交通條件,路面混凝土28 d抗彎拉強度應(yīng)分別不低于4.5和5.0 MPa,故以C30、C40路面混凝土為對象進行多場耦合下的微裂縫演化規(guī)律研究.摻加礦物摻合料的混凝土強度完全形成約需90 d,因此研究中混凝土養(yǎng)護齡期為90 d.經(jīng)耐久性優(yōu)化后的路面混凝土配合比見表3.

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

1.2 疲勞試驗方法

根據(jù)JTG_E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》成型100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件,將其移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱(溫度(20±1) ℃,相對濕度≥95%)中放置90 d.彎拉荷載疲勞試驗采用MTS-810疲勞試驗機開展,考慮到行車荷載與路面的接觸狀態(tài)呈動態(tài)變化,采用正弦波三分點加載,加載頻率10 Hz,低高應(yīng)力比0.1;為模擬耦合環(huán)境，將以上疲勞試驗機與BE-T-H150H8型可程式恒溫恒濕箱進行合理組裝，為水泥混凝土試件提供密閉試驗環(huán)境，改裝后的疲勞試驗機如圖1所示.考慮交通荷載作用的瞬時性及凍融、干濕循環(huán)的時效性，路面混凝土在實際工作環(huán)境中并非持續(xù)經(jīng)受多場耦合作用，因此除耦合作用時間段外，還設(shè)置交替作用階段.為提高試驗效率，混凝土的交替作用階段采用單獨的疲勞試驗機、快速凍融試驗機及恒溫恒濕箱進行模擬.試驗按時間遞進次序選擇4個階段點Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ進行,每階段均在前一階段基礎(chǔ)上累計進行,在各階段結(jié)束后進行細觀裂縫表征試驗.

圖1 耦合環(huán)境疲勞試驗機Fig.1 Fatigue tester with coupling functionality

1.3 參數(shù)確定及耦合方案設(shè)計

1.3.1 疲勞荷載應(yīng)力水平

當(dāng)應(yīng)力低于0.3fcu(fcu為混凝土抗彎拉強度)時,路面混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變成線性關(guān)系,其破壞所需周期較長;當(dāng)應(yīng)力超過0.3fcu后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性,并會對混凝土結(jié)構(gòu)造成塑性損傷;若施加應(yīng)力過高(>0.8fcu),試件易過早發(fā)生破壞,難以對其微裂縫演化狀態(tài)進行有效捕捉.因此,疲勞荷載應(yīng)力水平設(shè)為30%、50%和80%,分別對應(yīng)高周低荷載水平、普通荷載水平和低周高荷載水平損傷3種情況.疲勞試驗機加載速率為3.6萬次/h.

1.3.2 溫度及濕度水平

針對路面混凝土耐久性分區(qū)所對應(yīng)的凍融地區(qū)溫濕環(huán)境,選擇凍融循環(huán)范圍為-18～5 ℃,干濕循環(huán)范圍為40%～80%,每次凍融循環(huán)時間與干濕循環(huán)時間均為4 h,持續(xù)進行.

1.3.3 耦合方案

為明確耦合條件對路面混凝土裂縫演化的影響，設(shè)計荷載單因素及荷載-凍融雙因素組作為對照組，耦合方案見表4.由于80%荷載水平與溫濕度耦合時存在材料損傷較快的現(xiàn)象，因此適量減少其荷載、凍融次數(shù)及測試間隔,對于三場與雙場、單場耦合之間的作用次數(shù)關(guān)系同樣按以上原則設(shè)計，其中80%荷載水平下三場耦合試驗僅包括3個階段.

表4 耦合試驗方案1)Table 4 Coulping tests program

1)表中百分?jǐn)?shù)表示荷載水平；疲勞荷載加載單位為“萬次”，凍融循環(huán)單位為“次”，干濕循環(huán)單位為“月”；均對各組耦合試驗最后階段結(jié)束前未斷裂的試件加載至疲勞破壞.

本研究設(shè)計的耦合階段與交替階段順序見圖2.

圖2 耦合與交替階段試驗順序流程圖

Fig.2 Flow diagram of test sequence for coupling and alternative stages

1.4 路面混凝土細觀裂縫表征方法

混凝土裂縫分為小尺度與大尺度裂縫,試驗采用日本Hitachi S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試件表面的小尺度裂縫,采用ACTIS300-320/225CT/DR高分辨率工業(yè)CT對疲勞破壞的試件進行大尺度裂縫無損表征.經(jīng)掃描后對SEM以及CT圖像進行增強與分割,采用Image-Pro Plus軟件進行圖像特征參數(shù)提取(見圖3),裂縫參數(shù)包括裂縫面積密度、平均裂縫寬度、最大裂縫長度及盒分形維數(shù).

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

分形維數(shù)可從總體上描述微裂縫的分布特征,其值越大,裂隙分布越不均勻，擴散系數(shù)越大.分形維數(shù)通過計盒維數(shù)法計算:設(shè)A為混凝土數(shù)字圖像構(gòu)成的平面集合,C為裂縫集合,在圖像A上以δ為尺度用Matlab實施正方形網(wǎng)格劃分(見圖4),δ取值為δ=2i,其中i=1，2，…，n.改變δ的大小，記錄C與正方形網(wǎng)格相交的數(shù)目N,對N和δ同時取對數(shù)作圖,并利用最小二乘法進行擬合回歸,得到曲線斜率的負值，即為微裂縫的盒維數(shù)(D),具體由式(1)、(2)計算：

(1)

1gN=1gC-Dlgδ

(2)

圖4 網(wǎng)絡(luò)劃分示意圖Fig.4 Schematic diagram of mesh partition

2 荷載單因素作用下的裂縫演化規(guī)律

圖5(a)-5(d)為不同荷載水平下混凝土細觀結(jié)構(gòu)裂縫參數(shù)與荷載次數(shù)、荷載水平間的關(guān)系.

由圖5(a)、5(b)中裂縫面積密度及寬度變化過程可知,隨著荷載次數(shù)的增加,細觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫面積密度逐漸增大,裂縫寬度出現(xiàn)收縮-擴張交替變化,30%荷載水平時轉(zhuǎn)折點為14.4萬次,當(dāng)荷載水平超過50%后,寬窄交替變化愈加頻繁,出現(xiàn)14.4萬次和21.6萬次2個轉(zhuǎn)折點.

圖5 荷載作用下的各階段裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)

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

從圖5(c)最大裂縫長度的變化過程可知,30%和50%荷載水平下細觀結(jié)構(gòu)最大裂縫長度呈增大-減小-增大波狀變化,說明其變化是萌生-閉合-延伸的交替過程;80%荷載水平時最大裂縫長度單調(diào)增加,發(fā)展主要以延伸為主,可見80%的疲勞荷載在裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力足以超過結(jié)構(gòu)內(nèi)部阻力.對于以上現(xiàn)象,推測為應(yīng)力集中和應(yīng)力擴散的綜合效應(yīng),荷載產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力可分解為沿裂縫長度方向的剪應(yīng)力和沿著寬度方向的壓應(yīng)力,且剪應(yīng)力更大.

由圖5(d)可見,30%荷載水平時裂縫分形維數(shù)單調(diào)降低,而50%荷載水平和80%荷載水平時,裂縫分形維數(shù)先小幅增加后迅速減小,可見荷載水平較小時由于裂縫長度小,其彎折程度也小,而荷載水平超過50%時,裂縫擴展過程前期以彎曲路徑發(fā)展,而后期以單一方向發(fā)展為主.

總體來說,荷載單因素作用下路面混凝土細觀結(jié)構(gòu)受到荷載壓縮和彎拉兩種作用效果的應(yīng)力,其中彎拉應(yīng)力起主要破壞作用.荷載作用下的混凝土疲勞是內(nèi)部應(yīng)力集中和應(yīng)力擴散交替進行的過程,混凝土最終疲勞斷裂時造成細觀結(jié)構(gòu)的裂縫面積密度增加、最大裂縫長度延伸及裂縫寬度擴張,伴隨著裂縫擴展方向的隨機性減小,更易于沿著某些主裂縫方向進行擴展.

3 荷載-凍融雙場耦合作用下的裂縫演化規(guī)律

試驗表明,混凝土在30%荷載水平下經(jīng)歷400萬次疲勞荷載作用后尚未出現(xiàn)疲勞破壞,因此雙場耦合時不考慮該荷載水平.圖6(a)-6(d)為荷載-凍融循環(huán)耦合下混凝土細觀裂縫參數(shù)與耦合次數(shù)、荷載水平間的關(guān)系圖.

圖6 雙場耦合下的各階段裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)

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

由圖6可知,隨著耦合時間的延長,路面混凝土裂縫面積密度、平均裂縫寬度和盒分形維數(shù)的變化趨勢與荷載單獨作用時基本相同,但最大裂縫長度存在差異,雙場耦合時最大裂縫長度呈單調(diào)增加.由此可見,雙場耦合的應(yīng)力疊加效應(yīng)在裂縫尖端有較大應(yīng)力集中,未表現(xiàn)出單荷載下裂縫的萌生-閉合-延伸現(xiàn)象.80%荷載-凍融耦合比50%荷載-凍融耦合的最終裂縫最大長度短,說明高應(yīng)力水平下產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度更大,混凝土在較小的疲勞次數(shù)下就發(fā)生斷裂破壞.

對比圖5與圖6中Ⅳ階段結(jié)果發(fā)現(xiàn),與單荷載相比,雙場耦合下混凝土疲勞破壞時的裂縫演化規(guī)律如下:

(1)雙場耦合下混凝土裂縫寬度較窄,C30混凝土平均裂縫寬度分別較單場窄4.05 μm(50%荷載水平下)和7.8 μm(80%荷載水平下),而C40混凝土平均裂縫寬度較單場分別窄3.25 μm(50%荷載水平下)和6.15 μm(80%荷載水平下);50%荷載水平下雙場耦合最大裂縫長度較大,C30和C40混凝土最大裂縫長度分別比單場大51.85 μm和40.01 μm,80%荷載水平下雙場耦合最大裂縫長度較小,C30和C40混凝土最大裂縫長度比單場分別小222.55 μm和201.68 μm.說明凍融循環(huán)在裂縫處產(chǎn)生的低溫結(jié)晶膨脹應(yīng)力主要沿平行裂縫長度方向,且應(yīng)力集中程度較大,造成的混凝土變形主要發(fā)生在裂縫長度方向,其中荷載水平為80%時,由于內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力集中未能及時通過體積變形消散,故在較小裂縫長度、寬度下結(jié)構(gòu)便發(fā)生脆性斷裂.

(2)50%荷載-凍融耦合時,C30、C40混凝土裂縫面積密度較單場分別增加了0.56%和0.85%,而80%荷載-凍融耦合時,C30、C40混凝土裂縫面積密度較單場分別小4.61%和3.43%,可見凍融和較低荷載應(yīng)力疊加時有更多微裂縫成核,而與較高應(yīng)力疊加時則主要造成裂縫長度延伸.

對于分形維數(shù),50%荷載水平下雙場的比單場大0.011(C30混凝土)和0.003(C40混凝土),80%荷載水平下雙場的比單場大0.023(C30混凝土)和0.005(C40混凝土),以圖7中C40混凝土50%荷載水平作用下的單場、雙場微觀形貌及分割圖(分割圖中的標(biāo)記代表微裂縫和孔隙缺陷)為例,可推斷在凍融循環(huán)下,大孔隙中的自由水存在頻繁結(jié)晶膨脹現(xiàn)象,造成孔隙邊緣微裂縫成核,導(dǎo)致分形維數(shù)增加.

圖7 50%荷載水平下C40混凝土疲勞破壞的微觀形貌及分割圖

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

因此,凍融循環(huán)在裂縫處產(chǎn)生的低溫結(jié)晶膨脹剪應(yīng)力與荷載彎拉應(yīng)力疊加后,使結(jié)構(gòu)沿裂縫長度方向產(chǎn)生更大應(yīng)力集中,同時大孔內(nèi)凍融結(jié)晶膨脹應(yīng)力方向隨機性強,造成孔隙邊緣微裂縫大量匯集.

4 荷載-凍融-干濕三場耦合作用下的裂縫演化規(guī)律

圖8(a)-8(d)為荷載-凍融-干濕循環(huán)三場耦合下路面混凝土細觀裂縫參數(shù)與耦合次數(shù)、荷載水平間的關(guān)系圖,其中C30混凝土和C40混凝土變化規(guī)律相似.

由圖8可知,50%荷載水平下,三場耦合時裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)變化趨勢與荷載-凍融雙場耦合時相同,但在80%荷載水平下,由于路面混凝土疲勞壽命明顯縮短,平均裂縫寬度僅有下降段,裂縫分形維數(shù)僅有上升段.究其原因，在于在雙場基礎(chǔ)上疊加了干濕循環(huán),產(chǎn)生了附加收縮應(yīng)力,導(dǎo)致裂縫寬度壓縮程度大,且應(yīng)力越高裂縫壓縮持續(xù)時間越長.此外，80%荷載水平三場耦合下的裂縫分形維數(shù)和最大裂縫長度比50%荷載水平時有所降低,表明該條件下內(nèi)部應(yīng)力集中程度較大且快,體系不能及時通過結(jié)構(gòu)變形以緩解內(nèi)應(yīng)力的集中,導(dǎo)致在短時間內(nèi)出現(xiàn)混凝土斷裂.

對比圖6與圖8可知,與雙場耦合相比,三場耦合下路面混凝土疲勞破壞時裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化情況如下:

圖8 三場耦合下的各階段裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)

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

(1)混凝土最大裂縫長度較大,而裂縫寬度較窄.C30混凝土最大裂縫長度較雙場增加了29.47 μm(50%荷載水平下)和32.03 μm(80%荷載水平下),C40混凝土最大裂縫長度較雙場增加41.61 μm(50%荷載水平下)和17.21 μm(80%荷載水平下);C30混凝土平均裂縫寬度較雙場減小2.64 μm(50%荷載水平下)和8.04 μm(80%荷載水平下),C40混凝土減小1.32 μm(50%荷載水平下)和5.05 μm(80%荷載水平下).這表明在荷載-凍融耦合基礎(chǔ)上疊加干濕循環(huán)會促進裂縫長度延伸,抑制裂縫寬度擴張.

(2)50%荷載水平三場耦合下C30、C40混凝土裂縫面積密度較雙場增加了0.23%和0.08%,80%荷載水平時C30、C40混凝土裂縫面積密度比雙場耦合下分別降低了0.93%和1.06%,主要是由于三場耦合下混凝土疲勞壽命明顯縮短造成的;C30混凝土裂縫分形維數(shù)較雙場增加了0.003(50%荷載水平下)和0.021(80%荷載水平下),C40混凝土增加了0.006(50%荷載水平下)和0.022(80%荷載水平下),表明干濕循環(huán)的疊加促使混凝土疲勞破壞時裂縫分布復(fù)雜程度增加.

以80%荷載水平雙場、三場下的C40混凝土微觀形貌及分割圖為例(見圖9),可見干濕循環(huán)促進裂縫寬度壓縮,面積密度增加,尤其體現(xiàn)在沿裂縫長度方向的延伸上,同時造成了細微裂縫進一步成核.

圖9 80%荷載水平下C40混凝土疲勞破壞的微觀形貌及分割圖

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

5 結(jié)論

(1)荷載單獨作用時,隨荷載次數(shù)增加,路面混凝土微裂縫面積密度單調(diào)增加,最大裂縫長度變化呈萌生-閉合-延伸的交替狀態(tài),裂縫寬度則表現(xiàn)為壓縮-擴張交替變化,裂縫分布復(fù)雜程度(分形維數(shù))則先增加后減小.

(2)荷載-凍融循環(huán)雙場耦合作用引發(fā)的結(jié)晶膨脹應(yīng)力疊加效應(yīng)促使裂縫密度及最大裂縫長度單調(diào)增加;與單荷載作用相比,在疲勞破壞時存在更多微裂縫成核,荷載水平為80%時,由于內(nèi)部產(chǎn)生的集中應(yīng)力未能及時通過體積變形消散,故在較小裂縫長度、寬度下結(jié)構(gòu)便發(fā)生貫穿性斷裂.

(3)荷載-溫度-濕度三場耦合下的裂縫演化規(guī)律與雙場時相似,但因附加干縮應(yīng)力沿裂縫方向產(chǎn)生收縮應(yīng)力,在垂直裂縫方向產(chǎn)生壓縮應(yīng)力,促使裂縫沿長度方向延伸,而寬度減小,同時伴隨更多微裂縫成核.

[1] 申愛琴.道路水泥混凝土的結(jié)構(gòu)、性能與組成設(shè)計 [M].北京：人民交通出版社,2011.

[2] 李金平,章金釗,盛煜.凍土區(qū)水泥和瀝青路面病害分布規(guī)律探討 [J].公路交通科技,2010,27(7):18- 24. LI Jin-pin,ZHANG Jin-zhao,SHENG Yu.Study on distribution patterns of distresses in cement concrete pavement and asphalt pavement in permafrost regions [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2010,27(7):18- 24.

[3] 談至明,姚祖康.水泥混凝土路面疲勞溫度應(yīng)力的計算 [J].中國公路學(xué)報,1994(1):1- 7. TAN Zhi-ming,YAO Zu-kang.The estimation of fatigue-thermal stress of concrete pavements [J].China Journal of Highway and Transport,1994(1):1- 7.

[4] 焦修剛,劉光廷.混凝土熱濕耦合數(shù)值計算中的參數(shù)擬合 [J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,45(3):319- 321. JIAO Xiu-gang,LIU Guang-ting.Parameter fitting in numerical analysis of coupled heat and mass transport in concrete [J].Journal of Tsinghua University(Sci & Tech),2005,45(3):319- 321.

[5] 王秉綱,王選倉,高維成,等.重載水泥混凝土路面疲勞關(guān)系研究 [C]∥中國公路學(xué)會2000學(xué)術(shù)年會暨五屆二次理事會論文集.?？冢褐袊烦霭嫔?2000：112- 116.

[6] 袁宏,姚祖康.考慮溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力共同作用的混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 [J].同濟大學(xué)學(xué)報,1986,14(4):479- 490. YUAN Hong,YAO Zu-kang.The structure design method of concrete pavement considering the combination of temperature stress and load stress [J].Journal of Tongji University,1986,14(4):479- 490.

[7] TROTTIER J F,FORGERON D.Cumulative effects of flexural fatigue loading and freezing and thawing cycles on the flexural toughness of the fiber reinforced concrete [C]∥Proceedings of the Third International Conference on Concrete Under Severe Conditions:Environment and Loading.Vancouver,BC:ACM,2001:18- 20.

[8] 吳國雄.水泥混凝土路面開裂機理及破壞過程研究 [D].重慶:西南交通大學(xué),2003.

[9] 劉問,徐世烺,李慶華.等幅疲勞荷載作用下超高韌性水泥基復(fù)合材料彎曲疲勞壽命試驗研究 [J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2012,33(1):119- 127. LIU Wen,XU Shi-lang,LI Qing-hua.Study on flexural fatigue life of ultrahigh toughness cementitious composites under constant amplitude cyclic loading [J].Journal of Building Structures,2012,33(1):119- 127.

[10] GOEL S,SINGH S P,SINGH P.Flexural fatigue strength and failure probability of self compacting fibre reinforced concrete beams [J].Engineering Structures,2012,40:131- 140.

[11] 胡昌斌,曾惠珍,闕云.濕熱地區(qū)水泥混凝土路面溫度場與溫度應(yīng)力研究 [J].福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,39(5):727- 737. HU Chang-bin,ZENG Hui-zhen,QUE Yun.Characteristics of concrete pavement temperature field and temperature stress in hot and humid areas [J].Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition),2011,39(5):727- 737.

[12] 李兆霞.損傷力學(xué)及其應(yīng)用 [M].北京：科學(xué)出版社,2002.

[13] 呂惠卿,張湘?zhèn)?張榮輝.水泥混凝土路面斷裂破壞研究 [J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,29(1):54- 57. Lü Hui-qing,ZHANG Xiang-wei,ZHANG Rong-hui.Crack damage of cement concrete pavement [J].Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science),2010,29(1):54- 57.

[14] LI Wen-ting,SUN Wei,JIANG Jin-yang.Damage of concrete experiencing flexural fatigue load and closed freeze/thaw cycles simultaneously [J].Construction and Building Materials,2011,25(5):2604- 2610.

[15] 趙愛紅,虞吉林.準(zhǔn)脆性材料的細觀損傷演化模型 [J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,40(50):88- 91. ZHAO Ai-hong,YU Ji-lin.A micro-mechanical damage model for quasi-brittle materials [J].Journal of Tsinghua University(Sci & Tech),2000,40(50):88- 91.

[16] 田威,黨發(fā)寧,陳厚群.基于CT圖像處理技術(shù)的混凝土細觀破裂分形分析 [J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報,2012,20(3):424- 431. TIAN Wei,CHANG Fa-ning,CHEN Hou-qun.Fractal analysis on meso-fracture of concrete based on the technique of CT image processing [J].Journal of Basic Science and Engineering,2012,20(3):424- 431.

[17] 李曙光,陳改新,魯一暉.基于微裂紋定量分析的混凝土凍融損傷評價方法 [J].水力發(fā)電學(xué)報,2013,32(3):207- 212. LI Shu-guang,CHEN Gai-xin,LU Yi-hui.Evaluation method for freezing-thawing damage in concrete based on quantitative microcrack analysis [J].Journal of Hydro-electric Engineering,2013,32(3):207- 212.

[18] 韋江雄,余其俊,曾小星,等.混凝土中孔結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)研究 [J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,35(2):121- 124. WEI Jiang-xiong,YU Qi-jun,ZENG Xiao-xing,et al.Fractal dimension of pore struture of concrete [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2007,35(2):121- 124.

[19] 郭偉,秦鴻根,陳惠蘇,等.分形理論及其在混凝土材料研究中的應(yīng)用 [J].硅酸鹽學(xué)報,2010,38(7):1362- 1368. GUO Wei,QIN Hong-gen,CHEN Hui-su,et al.Fractal theory and its applications in the study of concrete materials [J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2010,38(7):1362- 1368.

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

國家自然科學(xué)基金資助項目(51278059)；長安大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(310821175014) Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51278059)

覃瀟(1992-),女,博士生,主要從事道路材料研究.E-mail:qinnao@126.com

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

U 414

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