施工微裂縫對瀝青路面性能的影響

孫建勛

(中交第四公路工程局有限公司，北京 101101)

0 引 言

瀝青路面病害導致道路養護成本增加，其中路面裂縫是關鍵問題之一。瀝青路面壓實度是影響路面裂縫的重要因素，若壓實度不足，雨水滲入會導致路面結構破壞[1]；同時瀝青混凝土隨溫度熱脹冷縮產生的拉伸應力也會引起瀝青路面的疲勞裂縫，導致路面結構病害[2]。

目前，各國研究學者已對瀝青路面裂縫產生的原因及處治措施進行了大量的研究：盧天翔等調查了國省道典型路段瀝青路面裂縫的分布狀況，提出以分布密度表征路面裂縫的評價方法[3]；田莉等總結了美國瀝青路面裂縫處治方法，為國內瀝青路面裂縫的處治提供了參考[4]；劉立斌等基于預防性養護措施提出了重載干線公路瀝青路面養護方案，為干線公路養護提供了技術支持[5]；李盛等研究了瀝青路面荷載疲勞開裂機理，為剛柔復合式路面設計提供了參考[6]；牛力強通過瀝青混合料低溫彎曲試驗分析，得出溫度疲勞作用是造成瀝青路面自上而下開裂的主要原因[7]；欒利強分析了裂縫尖端應力強度因子的變化規律[8]。然而，在路面施工過程中，鋼輪壓路機產生的水平應力引起瀝青面層產生細微裂縫亦是導致路面抗疲勞性能加速惡化的關鍵因素[9-12]。

因此，本文基于直接拉伸試驗方法，在同一路段施工現場隨機抽樣切割瀝青混凝土板塊試件，明確試件制備工序及試驗測試方案，研究不同條件下施工微裂縫對瀝青路面性能的影響，從而進一步明確瀝青路面早期開裂的影響，為瀝青路面提高抗疲勞性能措施的完善提供依據。

1 材料級配與現場試件制備

1.1 材料級配

不同級配類型的瀝青混合料表現出不同的力學性質，目前公路路面上面層常采用的密級配細粒式瀝青混凝土AC-13具有較好的路用性能，故本文選取AC-13級配作為瀝青混凝土試件級配類型，如表1所示。最佳瀝青用量為4.9%。

1.2 現場試件制備

為研究施工微裂縫對瀝青路面性能的影響，保證試驗結果的可靠性，本文試驗試件取自新建瀝青路面同一路段施工現場，施工機具碾壓成型，壓實度等施工指標滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2017)要求，隨機抽樣選取路面區域，分別劃線標記，并使用瀝青路面切割機切割成瀝青混凝土板塊試件。切割以先大后小的工序進行，且取壓路機碾壓方向為板塊試件長度方向，試件最終切割尺寸為30 cm×10 cm×6 cm。試件制備完成后整齊置于鋪有海綿墊層的木箱中，以防止運輸過程中裂縫傳播擴大。

表1 AC-13瀝青混合料級配

2 試驗方案的確定

瀝青路面施工階段產生的微裂縫對瀝青路面的影響主要體現在降低抗拉強度方面。目前測試瀝青混凝土抗拉強度的試驗方法主要有劈裂試驗、彎曲試驗和直接拉伸試驗等，但由于瀝青混凝土應力狀態復雜，前兩類方法無法真實評測不同條件下瀝青混凝土的抗拉強度，而直接拉伸試驗過程中試件的應力狀態更接近瀝青混凝土真實的受拉狀態，且其擴展的受拉裂縫是試件產生非彈性應變最為直接的原因[13]。因此，本文采用直接拉伸試驗作為研究施工過程產生的細微裂縫對瀝青路面抗拉性能影響的試驗方法。

試件制備、運輸、存儲及室內試驗等工序對試驗結果有重要影響，試件進入室內實驗室后，根據直接拉伸試驗的要求，使用酒精清潔其表面。試件黏合面除中間50 mm留白外，其余部分涂刷環氧樹脂黏結劑黏合對應尺寸的鋼板。重壓靜置24 h后，在試驗控制溫度下將試件置于帶有數據采集儀的線性可移動式拉力測試系統中，試件中心與工作臺中心接頭對應，保證試件軸向受拉。基于試驗效率考慮，夾持試件金屬板的工作臺借助導軌以50 mm·min-1的恒定速率移動，數據采集儀記錄工作臺的水平位移和受拉應力。

由于瀝青混凝土具有溫度敏感特性，因此施工后期溫度亦是研究施工微裂縫影響瀝青路面性能的關鍵指標。通常瀝青混凝土疲勞破壞主要集中發生于13 ℃～15 ℃，且現行規范取15 ℃作為容許彎拉應力標準值溫度[14]，考慮瀝青路面實際施工溫度，本文選取10 ℃、15 ℃、20 ℃和25 ℃四組試驗溫度研究施工過程瀝青混凝土微裂縫對瀝青路面抗拉強度的影響。

3 施工微裂縫對瀝青路面性能的影響

本文對不同試驗溫度和不同碾壓面放置方向的AC-13級配瀝青混凝土試件進行抗拉強度試驗。為保證試驗結果的可靠性，試驗測試前將各試件置于設定溫度的控溫箱中保持24 h，為避免水對微裂縫產生影響，禁止采用恒溫水浴加熱方式。施加水平單向力，使試件有且僅有一條主裂縫產生。在10 ℃、15 ℃、20 ℃和25 ℃四組試驗溫度條件下重復測試，溫度每個碾壓面放置方向至少進行4組試驗，以保證試驗結果的可靠性。不同條件下瀝青試件抗拉強度試驗結果如圖1～4所示，不同條件下瀝青試件抗拉強度均值如圖5所示。

圖1 10 ℃瀝青混凝土試件的抗拉強度

圖2 15 ℃瀝青混凝土試件的抗拉強度

圖3 20 ℃瀝青混凝土試件的抗拉強度

圖4 25 ℃瀝青混凝土試件的抗拉強度

圖5 不同條件瀝青混凝土試件的抗拉強度

由圖1和圖4可知，這2組試件試驗數據偏離抗拉強度均值。分析原因為：試件取樣運輸過程中受到外界嚴重干擾，引起試件微裂縫延伸，導致瀝青混凝土試件抗拉強度減小，因此可忽略這2組數據；而其他各組數據相對集中，其均值可視為最終試驗結果。

由圖1～5可知，不同條件下瀝青試件表現出不同的受力等級，隨溫度升高，瀝青試件抗拉強度不斷降低，25 ℃溫度下不同碾壓面放置方向的室內改進的預留50 mm中部空白瀝青路面試件的抗拉強度較10 ℃下的抗拉強度分別降低了28%和39%。分析原因為，瀝青路面碾壓過程中出現微裂縫，此微裂縫改變了瀝青路面原有結構，導致瀝青混凝土抗壓強度顯著降低，且瀝青混凝土隨溫度升高形態發生變化，微裂縫加速發展。

同時，相同溫度條件下，碾壓面向上的瀝青試件抗拉強度均優于碾壓面向下的瀝青試件抗拉強度，且兩者強度差值不斷增大，最大差值可達0.36 MPa。分析原因為，碾壓面向上瀝青混凝土試件表層微裂縫較底層更多，底層更加密實，因而其抗拉性能更優。

本文明確了瀝青路面施工過程中出現的施工微裂縫將影響新建瀝青路面的抗拉性能，而現有瀝青路面壓實設備、施工條件和施工工藝是瀝青路面微裂縫產生的主要原因，且由于交通荷載和溫度的影響，瀝青路面施工微裂縫將迅速擴展。可從瀝青混凝土級配類型、瀝青路面施工工藝和調整壓實機具等方面對瀝青路面施工微裂縫的影響進行更加細致的研究，以減少施工微裂縫產生，保證瀝青路面的耐久性。

4 結 語

本文基于直接拉伸試驗方法，明確了瀝青路面施工過程中出現的施工微裂縫對路面抗拉性能的影響，主要結論如下。

(1)將同一路段施工現場隨機抽樣選取的瀝青混凝土板塊，整齊置于鋪有海綿墊層的木箱中，能夠防止運輸過程中微裂縫的傳播，且試件具有試驗代表性。

(2)基于直接拉伸試驗方法的個別瀝青混凝土試件因受到外界干擾，抗拉強度相對較小，而多數試件數據相對集中，試驗結果可靠性較高。

(3)隨著溫度升高，瀝青試件抗拉強度不斷降低，且碾壓面向上的瀝青試件抗拉強度均優于碾壓面向下的瀝青試件，表明施工壓實過程中表層微裂縫多于底層微裂縫。

(4)未來可對瀝青路面施工微裂縫的影響進行更加深入的研究，以提高路面使用性能，延長壽命。