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user: 4. 冻融作用对裂缝扩展的影响因素分析 4.1. 试验分析 由之前的调查，得到了长春一年内发生冻融月份的平均零上温度和平均零下温度，进而确定了冻融的实验温度和循环周期。以24小时为一个冻融周期，每次冰冻之前在裂缝内洒入一定量的水，以保证冻涨效应有足够的水源作为补充，模拟现实条件下路面积水的情况。课题组运用游标卡尺对裂缝的宽度和深度进行测量，游标卡尺精度为0.02 mm，本实验在裂缝上选取三个点，每次测量取三个点测量值的平均值作为最后的测量值。冻融循环实验进行至裂缝稳定为止。 裂缝扩展比换算公式： η n = d n − d 0 d 0 × 100 % (1) 其中 η n 表示第n次冻融循环后裂缝的扩展比， d n 表示第n次冻融循环后裂缝的绝对宽度， d 0 为裂缝初始宽度。 为保证实验数据真实有效，具有说服力，课题组在实验过程中保持人、机、料、法、环五大因素恒定，既人——试验测量人员固定，均为同一人测量；机——实验所用机械(冰柜、游标卡尺)为同一器械，如图所示；料——试验所用车辙板的材料属性相同，具体材料参数参考本文2.2冻融试件；法——试验方法固定，冻融温度及周期时间恒定，进行并联试验，将车辙板同步进行冻融循环；环——试验环境场所固定。 以下将冻融数据结果按控制变量的方法，对单个因素进行讨论分析。 4.2. 裂缝宽度因素对裂缝扩展的影响 由于裂缝宽度会影响裂缝中水的含量，进而会影响冻涨力和冰劈效应的大小，因此，本研究控制裂缝长度为10 cm，深度为10 mm，宽度分别取3 mm、5 mm、7 mm和9 mm，分别在车辙板上开出四条裂缝，将车辙板进行13次冻融循环，测量出每次冻融循环后裂缝的绝对宽度，数据如表1，将绝对宽度换算为裂缝宽度的扩展比，以便将不同初值的裂缝之间作比较，数据见表2。将四组数据绘制成折线图，置于同一坐标系下，如图3。 Table 1 Absolute widths of cracks of different widths after propagatio 裂缝宽度 (mm) 冻融次数/次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 3 3.02 3.13 3.17 3.30 3.43 3.51 3.56 3.60 3.75 3.77 3.77 3.79 3.76 5 4.98 5.02 5.08 5.28 5.39 5.53 5.61 5.72 5.74 5.75 5.72 5.74 5.73 7 7.03 7.17 7.25 7.36 7.50 7.69 7.76 7.80 7.89 7.92 7.88 7.89 7.90 9 9.01 9.10 9.20 9.29 9.37 9.44 9.48 9.54 9.55 9.63 9.66 9.69 9.65 表1. 不同宽度裂缝扩展后绝对宽度表 Table 2 The propagation ratio of cracks of different widths after propagatio 裂缝宽度 (mm) 冻融次数/次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 3 0.0000 0.0359 0.0478 0.0909 0.1364 0.1603 0.1794 0.1914 0.2416 0.2464 0.2488 0.2524 0.2452 5 0.0000 0.0067 0.0193 0.0595 0.0826 0.1101 0.1250 0.1488 0.1518 0.1540 0.1473 0.1518 0.1496 7 0.0000 0.0190 0.0301 0.0460 0.0660 0.0935 0.1030 0.1083 0.1220 0.1252 0.1199 0.1220 0.1236 9 0.0000 0.0107 0.0217 0.0316 0.0402 0.0484 0.0525 0.0590 0.0607 0.0689 0.0721 0.0758 0.0709 表2. 不同宽度裂缝扩展后扩展比表 绘制成折线图，如图1所示。 观察以上不同宽度下裂缝宽度扩展比关系图，四条曲线均从第一次冻融开始，裂缝开始扩展，在冻涨力和冰劈效应作用下，裂缝的绝对宽度和扩展比逐渐增大，到第8~9次冻融后，裂缝绝对宽度和扩展比达到最大，之后趋于稳定状态，基本保持不变。 图中四条长度深度相同，宽度不同的冻融循环曲线，前几次冻融曲线之间偶有交叉，可能与测量等误差有关，但当曲线趋于稳定之后，四条曲线关系清晰明了。 对比四条曲线的稳定状态，裂缝最终扩展比由大到小对应的裂缝初始宽度由大到小依次为3 mm、5 mm、7 mm、9 mm，其对应的扩展比分别为24.5%、15.1%、12.2%和7.2%。由此可以得出，保持其他因素恒定，裂缝在冻融循环作用下，裂缝宽度扩展最终趋于稳定，其稳定值与裂缝的初始宽度有关，裂缝初始宽度越大，裂缝最终扩展比越小。结论也与宽度对冰劈效应的关系相符，宽度越小，冰劈效应的应力强度因子越大 [ 8 ] 。 图1. 扩展比与宽度关系图 4.3. 裂缝长度因素对裂缝扩展的影响 由于裂缝的长度也会影响裂缝中水的体积，也会对冻涨力及冰劈效应产生影响。在此部分实验中，课题组控制裂缝宽度为5 mm，深度为10 mm，在车辙板上分别开四条长度为5 cm、10 cm、15 cm和20 cm的裂缝。对车辙板同步进行13次冻融循环，利用游标卡尺测量出裂缝的绝对宽度，数据如表3。之后对数据进行处理，利用冻融之后裂缝的绝对宽度和裂缝的初始宽度换算为宽度扩展比，数据如表4， Table 3 Absolute widths of cracks of different lengths after propagatio 裂缝长度 (cm) 冻融次数/次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 5 4.93 4.98 5.03 5.09 5.16 5.22 5.27 5.33 5.39 5.38 5.38 5.39 5.39 10 4.96 5.04 5.12 5.15 5.25 5.32 5.38 5.42 5.45 5.50 5.51 5.49 5.50 15 4.99 5.09 5.20 5.31 5.38 5.43 5.48 5.53 5.60 5.62 5.59 5.60 5.61 20 5.00 5.13 5.29 5.46 5.49 5.52 5.60 5.65 5.67 5.70 5.73 5.72 5.73 表3. 不同长度裂缝扩展后绝对宽度表 Table 4 The propagation ratio of cracks of different lengths after propagatio 裂缝长度 (cm) 冻融次数/次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 5 0.0000 0.0104 0.0206 0.0328 0.0470 0.0591 0.0693 0.0814 0.0934 0.0918 0.0918 0.0942 0.0942 10 0.0000 0.0153 0.0314 0.0383 0.0567 0.0727 0.0838 0.0919 0.0979 0.1080 0.1100 0.1060 0.1080 15 0.0000 0.0194 0.0414 0.0634 0.0774 0.0874 0.0975 0.1081 0.1215 0.1255 0.1195 0.1215 0.1235 20 0.0000 0.0254 0.0571 0.0918 0.0968 0.1042 0.1191 0.1303 0.1340 0.1390 0.1445 0.1427 0.1445 表4. 不同长度裂缝扩展后扩展比表 绘制出裂缝宽度扩展比随冻融次数变化的折线图，如图2。 绘制成以下折线图。 图2. 扩展比与长度关系图 观察上图四条初始宽度、深度相同，长度不同的曲线，与图曲线相似，随着冻融次数的增加，裂缝宽度扩展比逐渐增大，至第9~10次冻融循环后，裂缝达到稳定状态，裂缝宽度及扩展比保持恒定。 对比四条曲线，长度为20 cm的裂缝最终扩展比稳定值最大，约为14.3%，其次是长度为15 cm的裂缝，其最终扩展比为12.3%。10 cm长的裂缝最终扩展比稳定在10.8%，而5 cm的裂缝扩展比最小，稳定在9.4%。由此可得出结论，当外部因素以及裂缝的宽度和深度恒定时，裂缝扩展比稳定值与裂缝初始长度呈正相关。 4.4. 裂缝深度因素对裂缝扩展的影响 裂缝的深度决定了路面积水在沥青面层中的浸入的深度，进而也会导致水体积的变化，使冰劈效应增大。与之前对比试验类似，控制裂缝长度为10 cm，宽度为5 mm，分别在车辙板上开了3条深度为8 mm、10 mm和12 mm的裂缝。连续进行13次冻融循环后，裂缝扩展趋于稳定，用精度为0.02 mm的游标卡尺测量裂缝绝对宽度，取三个点的测量平均值为最终测量值，数据如表5，利用公式1换算成的裂缝扩展比数据如表6，绘制出冻融次数与裂缝扩展比的关系曲线如图3。 Table 5 Absolute widths of cracks of different depths after propagatio 裂缝深度 (mm) 冻融次数/次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 8 5.02 5.13 5.23 5.46 5.56 5.69 5.78 5.80 5.82 5.82 5.81 5.83 5.82 10 4.99 5.17 5.34 5.48 5.56 5.68 5.83 5.93 5.94 5.96 5.94 5.95 5.96 12 5.03 5.17 5.37 5.60 5.73 6.03 6.22 6.35 6.37 6.38 6.39 6.37 6.40 表5. 不同深度裂缝扩展后绝对宽度表 Table 6 The propagation ratio of cracks of different depths after propagatio 裂缝深度 (mm) 冻融次数/次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 8 0.0000 0.0220 0.0412 0.0865 0.1071 0.1332 0.1511 0.1538 0.1593 0.1580 0.1559 0.1600 0.1580 10 0.0000 0.0370 0.0700 0.0973 0.1141 0.1375 0.1693 0.1887 0.1907 0.1946 0.1907 0.1926 0.1946 12 0.0000 0.0277 0.0684 0.1148 0.1400 0.2000 0.2368 0.2639 0.2677 0.2697 0.2716 0.2684 0.2735 表6. 不同深度裂缝扩展后扩展比表 绘制成折线图： 图3. 扩展比与深度关系图 由于一条裂缝在开缝处理过程中偏差较大，舍去后剩下三条曲线。单独分析一条曲线，规律同之前实验结论，裂缝扩展比随冻融循环的增加而增大，冻融循环至第8次左右，裂缝扩展稳定，之后趋于不变。 将四条曲线对比分析，裂缝扩展比稳定值与裂缝的初始宽度有关，试验中初始深度为12 mm的裂缝扩展比最大，约稳定在27.0%，初始深度为10 mm的裂缝次之，扩展比稳定在19.3%左右，初始宽度8 mm的裂缝最终扩展比最小，约稳定在15.8%。由此可见，裂缝扩展比稳定值与裂缝初始深度也有关系，初始深度越大，最终扩展比越大。与理论相符，水渗入沥青面层越深，冰劈效应越显著 [ 12 ] 。 影响裂缝比的因素还有很多，诸如沥青面层荷载、基层稳定性、含水率及饱和性等 [ 13 ]，本研究仅针对裂缝的内因进行讨论，其他因素控制不变，不予以考虑。