超服役周期瀝青路面抗裂性能及疲勞性能評價*

安景峰 胡洪龍 程 龍 張定一

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局 南京 210096；2.華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司 南京 210096 3.東南大學交通學院 南京 210096)

截止至2018年年底，江蘇省服役年限超過15年的高速公路里程為2 730.83 km，占全省高速公路總里程的58%，服役年限10～15年的高速公路占全省高速公路總里程的20%，按照設(shè)計年限或累計軸載，大部分高速公路已經(jīng)超過服役周期或已達到使用末期。另一方面，我國雙向四車道高速公路占全部高速公路總量的81.9%，隨著國民經(jīng)濟的快速增長，早期建成的雙向四車道高速公路交通量和交通荷載不斷增加，原有設(shè)計通行能力與日益增長的交通需求之間的差距越來越大，因此早期建成的諸多高速公路亟須進行改擴建以改善現(xiàn)狀。

目前國內(nèi)外學者針對路面養(yǎng)護和大中修工程中既有路基路面結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀評估與所涉及的檢測手段、評價指標、利用方案等已做了較為廣泛的研究，并取得了一定的成果[1]。但總體而言，改擴建工程中既有路面性能的評價仍缺少科學的方法[2]。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，利用我國現(xiàn)有的評價指標劃分出的等級相同或得分相近的路段，其路面實際破損狀況存在較大的差異[3-5]，并不能有效地指導改擴建工程。周嵐等[6]認為我國需要建立更完善的道路評價指標，以應(yīng)用于實際的改擴建工程。王笑風等[7]針對現(xiàn)有路面評價指標不適用于高速公路改擴建的問題,提出路面面層評判關(guān)鍵指標——路面修補率。因此從路面材料的力學性能入手，找到一套可以反映超服役周期瀝青路面實際使用和破損情況的評價指標尤為重要。

近年來，國內(nèi)外研究人員提出了基于路面芯樣的半圓彎曲試驗方法[8](國外稱之為semi-circular bending test，SCB試驗)。該方法基于斷裂力學原理[9]，被美國AASHTO試驗規(guī)范引入，已逐漸應(yīng)用于評價瀝青混合料的低溫性能。SCB試驗適用性強，操作簡單，相比于小梁試件，鉆芯取樣相對容易且對路面損壞小[10]。

基于此，本文通過考慮路面橫向裂縫間距這一因素，選取6個典型路段，鉆芯取樣，對其中面層進行SCB劈裂試驗和疲勞試驗，獲取破壞荷載、彎拉強度、斷裂能和疲勞壽命等關(guān)鍵參數(shù)，建立這些參數(shù)與路面抗裂性能和疲勞性能之間的關(guān)系，為超服役周期瀝青路面抗裂性能及疲勞性能評價提供支撐，從而用以指導我國高速公路的改擴建工程。

1 材料概況與試驗方法

本研究從江蘇某高速公路服役年限超過15年路段中選取了6個不同病害及破損狀況的典型路段A、B、C、D、E、F作為鉆芯取樣的樣本段。6個典型路段的不同路面狀況評價指標得分情況、橫向裂縫間距和當量軸載作用次數(shù)見表1。

表1 6個典型路段的基本情況

由表1可知，6個路段在不同的路面指標評價中得分十分接近或處于同一等級，但路面橫向裂縫間距和當量軸載作用次數(shù)卻相差很大，從而可以證明我國現(xiàn)有的路面狀況評價指標不能很好地反映路面實際的破損狀況。

經(jīng)過調(diào)研，選擇在這6個典型路段行車道和硬路肩裂縫邊緣取樣，共得到芯樣243個。試驗所需芯樣均來源于中面層，混合料類型為普通瀝青AC-20，取芯位置示意見圖1。

圖1 取芯位置示意圖(單位：cm)

1.1 SCB試驗方法

瀝青混合料的半圓彎曲(SCB)試驗裝置見圖2，試件底部有2個平行圓柱固定支座，可以根據(jù)試件尺寸及需求調(diào)整位置和間距，半圓頂部是一個圓柱形壓頭，系統(tǒng)通過壓頭提供相應(yīng)的荷載。AASHTO TP105所提出的SCB試驗規(guī)程中，試件的尺寸為直徑150 mm、厚度50 mm、縫深15 mm，其中兩圓棒支點的距離S為120 mm，相當于半圓試件直徑的80%。

圖2 SCB試樣制備原理圖及試驗程序(單位：mm)

AASHTO TP105規(guī)范規(guī)定SCB試驗溫度采用中溫25 ℃，鑒于我國瀝青混合料小梁彎曲疲勞試驗的測試溫度為15 ℃，因此將SCB試驗溫度設(shè)置為15 ℃。SCB疲勞試驗加載頻率采用10 Hz。

本文所進行的SCB劈裂試驗和疲勞試驗均采用上述規(guī)范數(shù)值，2種試驗的參數(shù)對比見圖3。

圖3 SCB劈裂試驗和疲勞試驗參數(shù)對比分析圖

1.2 彎拉強度和斷裂能

SCB試驗技術(shù)的前提在于斷裂力學基本理論， 歐洲EN12697-44：2010中規(guī)定，破壞時的最大彎拉應(yīng)力σmax按式(1)計算。

(1)

式中：σmax為最大彎拉應(yīng)力，MPa；Fmax為最大荷載，N；D為芯樣直徑，mm；t為芯樣厚度，mm。

美國AASHTO TP105-2015中規(guī)定斷裂能的計算公式為

(2)

2 抗裂性能評價

2.1 破壞荷載分析

6個典型路段橫向裂縫間距和破壞荷載見圖4。其中，裂縫間距為50 m的路段E破壞荷載最大，最大破壞荷載為7.3 kN。裂縫間距為166.6 m的路段B破壞荷載最小，最小破壞荷載為6 kN。整體來看，6個典型路段的破壞荷載差別不大，且并沒有隨著橫向裂縫間距的增加或減少而產(chǎn)生顯著的變化。通過對橫向裂縫間距和破壞荷載進行回歸分析，得到回歸系數(shù)(R2=0.006 7)，可知兩者并沒有相關(guān)性。

圖4 6個典型路段橫向裂縫間距和破壞荷載

2.2 彎拉強度分析

因為本實驗SCB芯樣采用預切口處理，所以采用EN12697-44計算6個典型路段中面層的彎拉強度，6個典型路段中面層的彎拉強度及其與路面橫向裂縫間距的回歸關(guān)系見圖5。由圖5b)可見，二者的相關(guān)性并不高(R2=0.553 4)。

圖5 6個典型路段的彎拉強度及其與橫向裂縫間距的回歸關(guān)系

通過上述實驗結(jié)果可知，橫向裂縫間距與破壞荷載和彎拉強度均沒有相關(guān)性，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是不同路段中面層芯樣級配和瀝青種類都一樣，雖然在服役過程中，各路段承受車輛荷載作用次數(shù)有一定差別，但對瀝青混合料破壞荷載和彎拉強度的影響并不明顯。

2.3 斷裂能分析

6個典型路段的斷裂能及其與橫向裂縫間距的回歸關(guān)系見圖6。

圖6 6個典型路段的斷裂能及其與橫向裂縫間距的回歸關(guān)系

當橫向裂縫間距小于100 m時，即只有C、D、E、F4個典型路段，橫向裂縫間距與斷裂能的相關(guān)性比較高(R2=0.984 4)。典型路段中面層的抗裂性能一定程度上反映了高速公路既有路面材料性能的劣化程度，尤其當裂縫間距小于100 m時，既有路面材料的斷裂能明顯低于裂縫間距大于100 m的路段，因此斷裂能可以作為制定既有高速公路改擴建策略的評價指標。

3 疲勞性能評價

6個典型路段中面層在不同應(yīng)力比下的疲勞作用次數(shù)見圖7。

圖7 疲勞作用次數(shù)

由圖7可見，6個典型路段在單一應(yīng)力比下疲勞作用次數(shù)存在差異。以路段A和路段C為例，在0.2應(yīng)力比下，A路段疲勞作用次數(shù)大于C路段；在0.3應(yīng)力比下，A路段疲勞作用次數(shù)小于C路段，兩者相矛盾，因此我們無法通過單一應(yīng)力比下疲勞作用次數(shù)來評價路段的疲勞性能。

由上述說明可知，如果能找到一種可以描述路面疲勞性能的回歸表達式，利用回歸表達式可預測路面剩余壽命，將為路面改擴建提供一種新的思路和依據(jù)。

3.1 疲勞壽命-應(yīng)力比相關(guān)性分析

在單對數(shù)和雙對數(shù)坐標下分別對疲勞壽命(Nf)和應(yīng)力比(μ)進行回歸分析，回歸結(jié)果見圖8。

圖8 單、雙對數(shù)坐標下疲勞壽命和應(yīng)力比的回歸結(jié)果

由圖8回歸結(jié)果可知，基于疲勞壽命和應(yīng)力比的單、雙對數(shù)回歸，其回歸相關(guān)性高(R2>0.95)。而且在相同應(yīng)力比下進行回歸，整體性好且能更加清晰地看到同一應(yīng)力比下不同路段的疲勞壽命差異。但這2種回歸方程與路段的疲勞性能存在一些差異，不能反映路面橫向裂縫間距和軸載作用次數(shù)對疲勞性能的影響。以路段A和路段F為例，路段A橫向裂縫間距和軸載作用次數(shù)最大，分別為250 m、679.81萬次。路段F與之相反，其橫向裂縫間距和軸載作用次數(shù)最小，分別為41.66 m、385.2萬次。路段F承受最少軸載作用次數(shù)裂縫數(shù)量卻最多，且其在不同應(yīng)力比下疲勞壽命差異巨大，因此該路段抗重載能力差且存在嚴重的老化現(xiàn)象，故其斜率絕對值應(yīng)大于路段A，甚至大于路段B。

3.2 疲勞壽命-應(yīng)力幅相關(guān)性分析

在單對數(shù)和雙對數(shù)坐標下分別對疲勞壽命(Nf)和應(yīng)力幅(σ)進行回歸分析，回歸結(jié)果見圖9。

圖9 單、雙對數(shù)坐標下疲勞壽命和應(yīng)力幅的回歸結(jié)果

由圖9回歸結(jié)果可知基于疲勞壽命和應(yīng)力幅的單、雙對數(shù)回歸，其回歸相關(guān)性系數(shù)平均較高(R2>0.95)。且應(yīng)力幅相較于應(yīng)力比，考慮了不同樣本的單次SCB劈裂試驗的劈裂強度和試件尺寸效應(yīng)，包含的數(shù)據(jù)信息更多，區(qū)分度更強。同時還能考慮到橫向裂縫間距和軸載作用次數(shù)對路段疲勞性能的影響。但在雙對數(shù)坐標下，B路段回歸相關(guān)性低(R2=0.860 1)且雙對數(shù)回歸方程與路段的疲勞性能存在差異。以路段B和路段D為例，路段B在各個應(yīng)力比下的疲勞壽命均小于路段D，且其軸載累計作用次數(shù)為420.02萬次，小于D路段的560.49萬次，故其疲勞方程斜率絕對值應(yīng)大于D。

綜合上述分析，建議采用基于疲勞壽命和應(yīng)力幅的單對數(shù)線性回歸方程作為評價路面疲勞性能的疲勞方程。

4 結(jié)語

本文通過對6種典型路段中面層芯樣進行SCB劈裂試驗和疲勞試驗，建立破壞荷載、彎拉強度、斷裂能和疲勞壽命等參數(shù)與瀝青路面抗裂性能及疲勞性能的關(guān)系，從而為我國高速公路改擴建工程提供參考。研究結(jié)論如下。

1) 通過破壞荷載、彎拉強度與橫向裂縫間距的回歸結(jié)果可知，破壞荷載和橫向裂縫間距之間的相關(guān)性系數(shù)R2=0.006 7，彎拉強度和橫向裂縫間距之間的相關(guān)性系數(shù)R2=0.553 4，兩者相關(guān)性系數(shù)均較低，故破壞荷載和彎拉強度不能作為評價不同病害及破損情況下瀝青路面抗裂性能的指標。當橫向裂縫間距小于100 m時，斷裂能和橫向裂縫間距的相關(guān)性系數(shù)R2=0.984 4,故斷裂能可以用來評價不同病害瀝青路面的抗裂性能。

2) 通過建立lgNf-μ、lgNf-lgμ、lgNf-σ、lgNf-lgσ這4種不同形式的疲勞方程，可知6個典型路段在這4種回歸方式下平均相關(guān)性系數(shù)均較高(R2>0.95)，但考慮到lgNf-σ形式下的疲勞方程能包含更多的數(shù)據(jù)信息，同時和路面的疲勞性能對應(yīng)更準確，故推薦采用lgNf-σ形式下的疲勞方程來評價路面的疲勞性能。

3) 通過上述結(jié)論和分析可知，本文所選取6個典型路段的抗裂性能排序為B>A>C>D>E>F，疲勞性能排序為E>A>C>D>B>F。

4) 基于SCB的劈裂試驗和疲勞試驗?zāi)軌蜉^好地評價瀝青路面的抗裂性能和疲勞性能。