SCB試驗(yàn)表征瀝青路面抗開(kāi)裂性能的適用性探究

封雅宏 袁博 余昕潔 唐小亮 周振亞

（1.石家莊市交建高速公路建設(shè)管理有限公司，河北 石家莊 050000；2.中路高科（北京）公路技術(shù)有限公司 北京 100088；3.河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050000）

一、引言

疲勞開(kāi)裂是柔性路面的一種主要斷裂破壞模式，是由長(zhǎng)期反復(fù)的交通荷載引起的。疲勞開(kāi)裂的發(fā)生取決于路面的結(jié)構(gòu)承載力、施工質(zhì)量、瀝青混合料的抗開(kāi)裂性能等。對(duì)于瀝青混合料材料，可以通過(guò)一些室內(nèi)斷裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)估瀝青混合料的抗開(kāi)裂強(qiáng)度。例如，小梁四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)、間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)和半圓彎曲試驗(yàn)等。而傳統(tǒng)的小梁四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)測(cè)量的是達(dá)到一定損傷累積水平的荷載重復(fù)次數(shù)或小梁試件耗散能。近年來(lái)，半圓彎曲試驗(yàn) (Semi-Circular Bending Test，簡(jiǎn)稱(chēng)“SCB試驗(yàn)”)因其相對(duì)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)流程和較為準(zhǔn)確的指標(biāo)評(píng)價(jià)而受到許多研究人員的大力研究。

美國(guó)路易斯安那州交通研究中心（LTRC）的研究人員將SCB試驗(yàn)裝置作為表征瀝青混合料抗開(kāi)裂性能的試驗(yàn)方法，測(cè)定了13種路面瀝青混合料的臨界應(yīng)變能，試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為SCB試驗(yàn)可以作為評(píng)價(jià)瀝青混合料抗開(kāi)裂性能的工具。為解決疲勞彎曲試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際開(kāi)裂程度相關(guān)性較低的問(wèn)題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)馮德成等人引入了SCB試驗(yàn)研究混合料低溫?cái)嗔研阅?，試?yàn)結(jié)果表明SCB試驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)反映瀝青路面的低溫開(kāi)裂狀況，并提出了采用SCB試驗(yàn)的斷裂能作為評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

本文通過(guò)分析熱拌瀝青混合料（HMA）的SCB試驗(yàn)實(shí)測(cè)Jc值與瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)性能的關(guān)系，評(píng)價(jià)SCB試驗(yàn)方法預(yù)測(cè)瀝青路面疲勞開(kāi)裂性能的有效性和適用性。選取9條舊瀝青路面作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用其生產(chǎn)配合比制備混合料并進(jìn)行SCB試驗(yàn)得到Jc值。并與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的裂縫數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析以評(píng)估SCB試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)抗裂性能之間的關(guān)系。

二、試驗(yàn)方案

（一）半圓彎曲試驗(yàn)方案

SCB試驗(yàn)根據(jù)臨界應(yīng)變能或斷裂能Jc來(lái)表征瀝青混合料的抗斷裂性能。Jc是每個(gè)切口深度的應(yīng)變能變化率（dU/da）的函數(shù)，如公式（1）所示，表示在混合料中形成單位面積的斷裂面時(shí)消耗的應(yīng)變能。因此，Jc值越高，說(shuō)明材料抗開(kāi)裂性和抗裂紋擴(kuò)展的能力越強(qiáng)。

圖1 SCB試驗(yàn)的荷載-變形曲線(xiàn)

為了確定Jc值，本文測(cè)試了三種不同切口深度的試樣，SCB試驗(yàn)選用的三個(gè)切口深度分別為25.4mm、31.8mm及38.0mm?；凇癮/rd”的比值（缺口深度與試樣半徑的比率），其理想范圍為0.5到0.75。試驗(yàn)過(guò)程為，將SCB試件放置在MTS儀器以0.5mm/min的恒定速率加載，直至試件發(fā)生斷裂破壞。在試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)記錄載荷和變形數(shù)據(jù)，并用于生成一系列載荷-變形曲線(xiàn)，如圖1所示，并采用公式（1）計(jì)算得出Jc的臨界值。

式中，Jc代表臨界應(yīng)變能（kJ/m2）；

b代表試件厚度（m）；

a代表切口深度（m）；

U代表破壞應(yīng)變能（kJ）

圖1中有三條曲線(xiàn)，分別代表具有三個(gè)不同切口深度試樣的破壞應(yīng)變能U。然后將U值繪制在對(duì)應(yīng)切口深度的曲線(xiàn)上，以計(jì)算線(xiàn)性回歸線(xiàn)的斜率，即方程式（1）中的dU/da。然后用dU/da除以試樣的寬度b，計(jì)算斷裂抗力的臨界值Jc。

（二）現(xiàn)場(chǎng)裂縫檢測(cè)方案

本文采用自動(dòng)道路分析儀（ARAN）和LADOTD路面破損數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每?jī)赡陮?duì)路表進(jìn)行一次檢測(cè)。ARAN系統(tǒng)分別收集了四種類(lèi)型的裂縫模式，即“橫向”“縱向”“龜裂”和“隨機(jī)”裂縫，將嚴(yán)重程度分別為低、中、高三檔。本文中沒(méi)有考慮縱向和隨機(jī)裂紋模式，因?yàn)檫@些損傷可能與HMA疲勞抗力沒(méi)有密切關(guān)系，僅考慮“橫向裂縫”和“龜裂”兩種裂紋類(lèi)型。

在ARAN系統(tǒng)中，橫向裂縫以dm/0.1km為單位進(jìn)行檢測(cè)報(bào)告，龜裂以dm2/0.1km為單位進(jìn)行檢測(cè)報(bào)告。因此，每個(gè)項(xiàng)目都由不同數(shù)量的單元段組成，每個(gè)單獨(dú)節(jié)段包含低、中、高等程度的橫向開(kāi)裂計(jì)數(shù)和龜裂數(shù)量。ARAN系統(tǒng)中橫向(TC)或龜裂(AC)平均裂縫數(shù)的計(jì)算公式為：

式中，C平均代表橫向(TC)或龜裂(AC)的平均裂縫數(shù)；

C低、C中、C高代表裂紋的嚴(yán)重程度分為低、中、高；

n代表現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中檢測(cè)段的數(shù)量。

在計(jì)算橫向裂縫和龜裂的平均裂縫數(shù)時(shí)，沒(méi)有考慮不同裂縫嚴(yán)重程度的權(quán)重因素。為了將具有不同單位的橫向裂縫和龜裂合并為一個(gè)單一的復(fù)合裂縫指數(shù)（Ccomp），需要將龜裂面積單位通過(guò)取平方根轉(zhuǎn)換為相同的描述尺度。如公式（3）所示。

復(fù)合開(kāi)裂指數(shù)僅表示現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)裂性能的簡(jiǎn)單指標(biāo)，不考慮裂縫嚴(yán)重程度、總路面結(jié)構(gòu)、氣候條件和施加的交通荷載。

表1 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)裂檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 SCB試驗(yàn)所測(cè)得的九種瀝青混合料的臨界應(yīng)變能

三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

9種路面裂縫調(diào)研結(jié)果如表1所示。SCB試驗(yàn)所測(cè)得的9種瀝青混合料的臨界應(yīng)變能Jc值如圖2所示。

9種瀝青混合料的臨界應(yīng)變能Jc值在0.74kJ/m2～1.57kJ/m2之間，平均值為1.05kJ/m2，中位數(shù)為0.96kJ/m2。L-5路段的磨耗層瀝青混合料的Jc值最高，而L-1路段的磨耗層瀝青混合料的Jc值最低。因此，僅根據(jù)測(cè)得的Jc值，可推測(cè)L-5路段的現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)裂性能將優(yōu)于L-1路段。同樣，根據(jù)SCB試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)計(jì)L-8路面比L-2、L-7或L-9路面具有更好的抗裂性。

現(xiàn)場(chǎng)裂縫統(tǒng)計(jì)數(shù)量和臨界應(yīng)變能Jc之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示。在比較瀝青混合料Jc值和路面抗裂性時(shí)，應(yīng)考慮到其他影響因素，如路面結(jié)構(gòu)、氣候環(huán)境和交通荷載等，以便更準(zhǔn)確地進(jìn)行比較。如圖3所示，復(fù)合裂縫指數(shù)通過(guò)施加的等效單軸荷載（ESAL）進(jìn)行歸一化，以便使用每百萬(wàn)ESAL為單位表示路面的開(kāi)裂性能。由于這9個(gè)路段均位于一座城市中，因此沒(méi)有考慮氣候影響。

表2 路面開(kāi)裂率與Jc值之間的關(guān)系

圖3 路面開(kāi)裂率與Jc之間的關(guān)系

從表2可以看出，L-5路段的Jc值最高，且路表開(kāi)裂程度最小。此外，L-5路段每百萬(wàn)ESALs對(duì)應(yīng)的開(kāi)裂率明顯低于其他8條路段。L-8路段在裂縫數(shù)量和裂縫率方面排名第二。而Jc值最低的L-1路段的裂縫數(shù)和裂縫率則明顯高于兩種性能最好的路面。盡管如此，與其他路面相比，L-1路段的抗開(kāi)裂性能仍然較好。而Jc值排名第8的L-2路段，其路面開(kāi)裂性能在9個(gè)路段中是最差的。

路面裂縫率和Jc值之間的相關(guān)性如圖3所示，并對(duì)二者之間的相關(guān)性進(jìn)行了擬合。隨著Jc值的增加，回歸曲線(xiàn)呈下降趨勢(shì)，這說(shuō)明隨著瀝青混合料抗開(kāi)裂強(qiáng)度的提高，路面開(kāi)裂率呈降低趨勢(shì)。回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.58。試驗(yàn)結(jié)果表明，可采用SCB試驗(yàn)方法在現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)瀝青路面的疲勞開(kāi)裂性能。

四、結(jié)語(yǔ)

本文采用9種瀝青混合料的室內(nèi)抗開(kāi)裂性能試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)所獲得的開(kāi)裂性能數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果表明，SCB試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)裂縫率有較好的相關(guān)性，且臨界應(yīng)變能隨著裂縫率的降低而增加。綜上所述，本文認(rèn)為采用SCB試驗(yàn)可以很好地評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗開(kāi)裂性能。