寒區道路Top-Down裂縫成因分析*

肖 卓 黃 勇 李 展 李邵輝 王泳丹 王 春

(長安大學道路結構與材料交通行業重點實驗室1) 西安 710064)(中國水利水電第七工程局有限公司2) 成都 610081)

0 引 言

路面開裂是瀝青混凝土路面的最主要的病害類型之一.裂縫作為早期病害，出現之后會在裂縫附近區域產生應力集中，進而使裂縫不斷擴展，甚至誘發其他路面病害.與基層反射裂縫從下往上開裂的裂縫形式相對，還有一種從上往下開裂的裂縫形式——Top-Down裂縫.老化后的瀝青路面抗疲勞性能變差，在荷載應力和溫度應力的雙重作用下，更易發生從路面表層向下擴展的疲勞開裂，也就是Top-Down裂縫.以往文獻表明，影響 Top-Down 裂縫開裂的因素主要有荷載應力、溫度應力、瀝青結合料老化程度、施工質量等[1-6].在氣候嚴寒地區，冬季面層將承受較大的溫縮應力，低溫收縮也會造成路面裂縫的產生.

以往對Top-Down裂縫的研究多通過ABAQUS軟件建模、有限元建模、ANSYS 軟件數值模擬、室內成型試件進行試驗等方法進行[7-10].建模和數值模擬的方法可以對荷載應力分布、溫度場的影響和裂縫的擴展情況等進行模擬，但路用條件極其復雜多變，難以將所有影響因素考慮其中；室內成型試件進行試驗又受到成型條件和試驗條件的影響.鑒于此，本文從Top-Down裂縫病害發生路段區分路況(優、中、差)進行芯樣和路面板的取用，用現場鉆取得到的芯樣和路面板分層(上、中、下面層)切割試件進行試驗.從現場路面鉆取的芯樣和路面板最能代表路面實際性能，通過優、中、差路況試驗指標優劣的對比，以不同路況下不同試驗指標的差異作為Top-Down裂縫影響因素的重要表征，進行寒區Top-Down裂縫成因分析.

1 試驗方案及試件制備

1.1 取樣路段概況

某高速公路2013年底建成通車，路面結構從上至下為：4cm AC-13(5%SBS)改性瀝青混凝土、5 cm AC-16(5%SBS)改性瀝青混凝土、7cm AC-25(90#基質)普通瀝青混凝土、20 cm水泥穩定碎石基層、32 cm水泥穩定碎石底基層.調研發現，某標段部分路段裂縫較嚴重，多條重度橫向裂縫及多處局部網狀裂縫.根據全厚度騎縫路面芯樣，路面裂縫僅存在于路表表面層和中面層，并有向路面下層進一步開裂趨勢，路面基層水泥穩定碎石尚完好，沒有開裂，因此，判斷路面裂縫為Top-Down裂縫.

1.2 試驗方案

芯樣及路面板取樣地區處于Ⅱ3區，為季凍區，冬季寒冷，最低月平均氣溫為-20 ℃，年最高氣溫不到30 ℃，瀝青路面面層將承受較大低溫收縮應力；結合料的老化，使其膠結能力下降，瀝青指標上表現為針入度降低、軟化點升高、延度下降；無論車輛對路面的荷載應力、環境作用產生的溫度應力，都和混合料的疲勞性能緊密相連.綜合考慮以上因素，作者對好、中、差三種路況芯樣和路面板分層(上、中、下面層)切割的試件進行瀝青抽提后三大指標試驗(瀝青老化)、OT試驗(低溫疲勞性能)及小梁彎曲試驗(低溫抗裂性能)，以對寒區Top-Down裂縫成因進行分析.

1.3 試件的制備

1.3.1現場取樣方案

首先對該標段進行全線路況調研(包括上行、下行兩個方向)，根據路況“優、中、差”選取上行方向三個代表路段，分別在三個代表路段鉆芯、切割路面板，每種路況“芯樣不少于八個、路面板不少于兩塊”.

路況較差路段，進行全厚度150 mm孔徑、騎縫鉆芯三個，并分別在超車道鉆取完整芯樣兩個，硬路肩鉆取完整芯樣六個，硬路肩路面板切割兩塊；其它路況路段芯樣、路面板選取位置均為硬路肩.路面芯樣及路面板切割樁號位置見表1～2.

表1 路段選取、取芯樁號(芯樣直徑150 mm)

注：騎縫鉆芯為(面層+基層)全厚度取芯(16+20 cm)，其他均為面層取芯(16 cm).

表2 路面板切割樁號(切取板體尺寸300 mm×400 mm×160 mm)

1.3.2試件的制備

室內分層(上、中、下面層)切割上述鉆取的路面板和芯樣，進行試件的制備，對應試驗的切割工藝和試件尺寸見表3.

表3 對應試驗的切割工藝和試件尺寸

2 試驗過程及結果

2.1 瀝青抽提及三大指標試驗

利用三氯乙烯對瀝青的極強溶解性，將瀝青從瀝青混合料中溶解分離出來，再利用離心設備、蒸餾設備等將瀝青回收，對所得瀝青進行各項相關試驗并觀察其指標情況，以評價施工階段或者路面使用階段的瀝青老化問題.

瀝青路面與外部環境直接接觸，在自然因素(光、熱、氧和水)的作用下， 隨著時間的推移瀝青的膠體結構、物理化學性質發生變化且這種變化不可逆，最終導致瀝青硬化變脆喪失原有的流變性、柔韌性和粘附性，通常在三大指標上表現為，針入度下降，軟化點升高、延度減小.

分別對三種路況(優、中、差)路面芯樣分層(上、中、下面層)進行瀝青抽提試驗，對抽提瀝青進行針入度、軟化點、延度試驗，記錄試驗結果，分析其老化情況.三種路況(優、中、差)路面芯樣上、中、下面層抽提瀝青的三大指標平均值數據見圖1.

圖1 三大指標試驗結果

由圖1可知，同一面層位置隨著路況的變差，瀝青的針入度均逐漸減小，軟化點均逐漸增大，延度均逐漸減小，瀝青的老化程度逐漸增大；路況差的路段對應瀝青老化嚴重，且均不符合對應結合料老化后的針入度和延度標準.可以得出，結合料的老化是寒區Top-Down裂縫產生的原因之一.

2.2 OT試驗

OT(Overlay Tester)為一種綜合測試裝置，可用于測試瀝青混合料低溫疲勞性能.其含有兩塊鋼板，一個是固定的，另一個可以水平方向移動，可以模擬車輪荷載不斷產生的拉伸—壓縮反復疲勞作用和溫度的疲勞作用在路面結構內產生的重復拉應力.

區分路況(優、中、差)和層位(上、中、下面層)切割路面芯樣成圖2試件要求尺寸.其中，試驗溫度為25 ℃.OT試驗終止條件為：加載次數達到1 200次時的荷載損失率，或荷載損失率達到93%時的終止循環次數.

圖2 OT試驗試件尺寸示意圖(單位：mm)

三種路況(優、中、差)路面芯樣上、中、下面層試件循環加載次數到達1 200次時對應的荷載損失率的平均值見表4.

表4 OT試驗結果(當前載荷損失) %

由表4可知，載荷運行次數達到1 200次時，同一面層位置隨著路況的變差，對應試件載荷損失率逐漸增大.以瀝青路面上面層AC-13為例說明情況：路況較優路段，載荷次數達到1 200次后，其載荷損失率較少，為62.78%，說明路況較好路段AC-13具有較好抗疲勞開裂能力；而路況較差路段，達到1 200次載荷作用次數后，載荷損失率較大，為86.42%，說明該路段AC-13瀝青混凝土抗疲勞開裂能力較差.不同路況的中、下面層規律與上面層一致.可以得出，疲勞應力是寒區Top-Down裂縫產生的原因之一.

2.3 小梁彎曲試驗

為測試瀝青面層材料低溫抗彎拉性能，進行小梁彎曲試驗測試小梁試件的最大載荷PB及跨中撓度d，并根據試件尺寸計算該層瀝青混凝土低溫抗彎拉強度RB、破壞時的梁底最大彎拉應變εB及破壞彎曲勁度模量SB.

由文獻[11]可知，區分路況(優、中、差)和層位(上、中、下面層)切割路面板成試件尺寸300 mm×40 mm×40 mm的試件，試驗溫度-10 ℃，加載速率50 mm/min，跨徑200 mm，上壓頭居中加載.三種路況(優、中、差)路面上、中、下面層低溫小梁試驗各項指標的平均值見圖3.

圖3 小梁彎曲試驗結果

由圖3可知，不同層位不同路況的低溫小梁試驗的三個低溫指標中，以最大彎拉應變εB規律最為明顯.同一面層位置隨著路況的變差，最大彎拉應變εB逐漸減小.以瀝青上面層AC-13為例，最大彎拉應變：2 310×10-6(路況優)>2 195×10-6(路況中)>1 255×10-6(路況差)，其他層位規律相同.最大彎拉應變εB為低溫破壞時試件的最大彎拉變形，εB變越大，則抗低溫開裂性能越好.在抗彎拉強度RB和破壞彎曲勁度模量SB方面，其規律雖然沒有最大彎拉應變εB那么明顯，但仍然可以看出其趨勢；不同層位路況較優的試件，基本表現出較大的抗彎拉強度RB和較小的破壞彎曲勁度模量SB.小梁試件較大的抗彎拉強度RB和較小的破壞彎曲勁度模量SB也均表征了較好的低溫抗裂性能.綜上所述，對比路況不同路段，路況較好的路段表現出比路況較差路段更好的低溫抗裂性能.可以得出，低溫收縮應力是寒區Top-Down裂縫產生的原因之一.

2.4 綜合分析

路況較差處抽提出的瀝青老化程度較高，同時路況較差處混合料低溫疲勞性能、低溫性能均較差.換言之，較差的路況是因為對應上述指標不良引起的.路面使用過程中，隨著時間的推移，瀝青不斷老化，路面在溫度應力和荷載應力的重復作用下不斷疲勞，加之寒區路面的低溫收縮，路面強度不斷下降，最終路面內產生的應力超過強度下降后的結構抗力，出現Top-Down裂縫.

3 結 論

1) 同一面層位置的瀝青隨路況的變差，針入度逐漸減小、軟化點逐漸升高、延度逐漸下降，瀝青逐漸老化，說明瀝青結合料的老化是寒區Top-Down裂縫產生的原因.

2) 同一面層位置隨著路況的變差，對應試件載荷損失率逐漸增大，抗疲勞能力逐漸變差.說明低溫疲勞應力是寒區Top-Down裂縫產生的原因.

3) 同一面層位置隨著路況的變差，最大彎拉應變εB逐漸減小；在抗彎拉強度RB和破壞彎曲勁度模量SB方面，不同層位路況較優的試件，均表現出與同一層位路況較差試件相比較大的抗彎拉強度RB和較小的破壞彎曲勁度模量SB；同一面層位置隨著路況的變差，低溫抗裂能力逐漸下降，說明低溫收縮應力是寒區Top-Down裂縫產生的原因之一.

4) 瀝青結合料老化和混合料低溫疲勞、低溫收縮均為寒區Top-Down裂縫產生的原因.

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