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局 南京 210096；2.華設設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%，按照設計年限或累計軸載，大部分高速公路已經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狀。

目前國內外學者針對路面養護和大中修工程中既有路基路面結構現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]。經過研究發現，利用我國現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，以應用于實際的改擴建工程。王笑風等[7]針對現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試驗規范引入，已逐漸應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鍵參數，建立這些參數與路面抗裂性能和疲勞性能之間的關系，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卻相差很大，從而可以證明我國現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。

經過調研，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，可以根據試件尺寸及需求調整位置和間距，半圓頂部是一個圓柱形壓頭，系統通過壓頭提供相應的荷載。AASHTO TP105所提出的SCB試驗規程中，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規范規定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范數值，2種試驗的參數對比見圖3。

圖3 SCB劈裂試驗和疲勞試驗參數對比分析圖

1.2 彎拉強度和斷裂能

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

(1)

式中：σmax為最大彎拉應力，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(R2=0.006 7)，可知兩者并沒有相關性。

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系見圖5。由圖5b)可見，二者的相關性并不高(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系

通過上述實驗結果可知，橫向裂縫間距與破壞荷載和彎拉強度均沒有相關性，產生這種現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力比下的疲勞作用次數見圖7。

圖7 疲勞作用次數

由圖7可見，6個典型路段在單一應力比下疲勞作用次數存在差異。以路段A和路段C為例，在0.2應力比下，A路段疲勞作用次數大于C路段；在0.3應力比下，A路段疲勞作用次數小于C路段，兩者相矛盾，因此我們無法通過單一應力比下疲勞作用次數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。

3.1 疲勞壽命-應力比相關性分析

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

圖8 單、雙對數坐標下疲勞壽命和應力比的回歸結果

由圖8回歸結果可知，基于疲勞壽命和應力比的單、雙對數回歸，其回歸相關性高(R2>0.95)。而且在相同應力比下進行回歸，整體性好且能更加清晰地看到同一應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裂縫數量卻最多，且其在不同應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象，故其斜率絕對值應大于路段A，甚至大于路段B。

3.2 疲勞壽命-應力幅相關性分析

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

圖9 單、雙對數坐標下疲勞壽命和應力幅的回歸結果

由圖9回歸結果可知基于疲勞壽命和應力幅的單、雙對數回歸，其回歸相關性系數平均較高(R2>0.95)。且應力幅相較于應力比，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，包含的數據信息更多，區分度更強。同時還能考慮到橫向裂縫間距和軸載作用次數對路段疲勞性能的影響。但在雙對數坐標下，B路段回歸相關性低(R2=0.860 1)且雙對數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在各個應力比下的疲勞壽命均小于路段D，且其軸載累計作用次數為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大于D。

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

4 結語

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與瀝青路面抗裂性能及疲勞性能的關系，從而為我國高速公路改擴建工程提供參考。研究結論如下。

1) 通過破壞荷載、彎拉強度與橫向裂縫間距的回歸結果可知，破壞荷載和橫向裂縫間距之間的相關性系數R2=0.006 7，彎拉強度和橫向裂縫間距之間的相關性系數R2=0.553 4，兩者相關性系數均較低，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性系數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性系數均較高(R2>0.95)，但考慮到lgNf-σ形式下的疲勞方程能包含更多的數據信息，同時和路面的疲勞性能對應更準確，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能夠較好地評價瀝青路面的抗裂性能和疲勞性能。