基于芯樣強度特征的瀝青路面服役耐久性研究

劉亞濤

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司,宜昌 443002)

瀝青路面在服役環境下受到溫度、水分、光照和行車荷載等一系列因素的破壞[1]，因此研究瀝青路面在服役環境下的耐久性對于保障路面安全具有至關重要的作用。然而以往主要是圍繞瀝青混凝土的性能開展研究工作[2,3]，對于瀝青路面層間粘結特征的關注很少。瀝青路面因具有行車舒適、易于維修等優點，被廣泛用于高等級公路的建設中[4]，其厚度一般都在10 cm以上，因此難以一次成型，需分層進行多次鋪筑，例如高速公路瀝青路面一般都包含上、中、下三層結構。層與層之間依靠粘層油粘結在一起[5]，因而層與層之間的粘結作用對于整個瀝青路面的性能產生直接影響，例如瀝青路面表層常出現的塊狀脫落現象，就是層間粘結失效造成的。

綜上，為更加科學和綜合地反映瀝青路面在實際服役環境下的耐久性特征，以市政道路次干道雙層結構瀝青路面為研究對象，通過對不同服役時長的同一瀝青路面進行鉆芯取樣，測試瀝青路面的強度，主要包括不同層位瀝青混凝土的間接拉伸強度和層間的剪切強度兩個方面，基于瀝青混凝土間接拉伸強度和層間剪切強度的變化情況分析瀝青路面的耐久性。

1 試驗方法

以武漢市某市政道路次干道為研究對象，該道路的瀝青面層于2016年5月進行了大面積翻修、重鋪。采用雙層瀝青路面結構，下面層為7 cm厚的AC-20瀝青混凝土，上面層為5 cm厚的AC-13瀝青混凝土，兩種瀝青混凝土的材料組成如表1所示。對新鋪筑瀝青路面上下結構層瀝青混凝土的間接拉伸強度和層間剪切強度進行了為期48個月的跟蹤分析。

表1 瀝青混凝土的材料組成

強度的測試基于路面芯樣完成，采用取芯機對服役時長分別為6、12、24、36、48個月的瀝青路面進行鉆芯取樣，芯樣如圖1所示。在測試瀝青混凝土間接拉伸強度時，將芯樣沿粘結界面切開，再將下面層芯樣切割成和上面層芯樣一樣的厚度(5 cm)；最后采用MTS系統的劈裂模具分別測試上面層AC-13瀝青混凝土芯樣和下面層AC-20瀝青混凝土芯樣的間接拉伸強度。在測試上面層和下面層層間剪切強度時，直接采用MTS系統的剪切模具測試圖1所示芯樣的層間剪切強度。測試均在常溫下進行。

2 結果分析

對于不同服役期的瀝青路面，上面層AC-13瀝青混凝土和下面層AC-20瀝青混凝土的間接拉伸強度結果如圖2所示。從圖2中可以看出，前者的間接拉伸強度總高于后者，這主要是因為上面層采用了性能更佳的SBS改性瀝青；雖然兩種瀝青混凝土的間接拉伸強度在數值上有較大區別，但間接拉伸強度隨服役時間增加所表現出的變化規律非常相似，總體上均呈現先輕微上升后下降的趨勢。具體來看，當服役時間從0增加至6個月時，AC-13瀝青混凝土的間接拉伸強度從1.23 MPa提高至1.25 MPa，AC-20瀝青混凝土的間接拉伸強度則從0.92 MPa提高至0.96 MPa。推測這主要是因為在服役早期，環境因素及車載作用對路面的破壞效應還很弱，且行車荷載使新鋪筑的瀝青路面進一步被壓實，瀝青混凝土的間接拉伸強度表現出小幅度上升。從圖3可以看出，在這一時期，AC-13瀝青混凝土和AC-20瀝青混凝土的間接拉伸強度分別上升了1.6%和4.3%。隨著服役時間的進一步延長，情況則發生了很大變化，兩類瀝青混凝土的間接拉伸強度均持續下降，圖2顯示，當服役時間達到48個月時，AC-13瀝青混凝土和AC-20瀝青混凝土的間接拉伸強度分別下降至0.94 MPa和0.74 MPa；按照百分比計，經過4年的服役，AC-13瀝青混凝土和AC-20瀝青混凝土的間接拉伸強度則分別下降了23.6%和19.6%，如圖3所示。百分比結果也表明，相比于上面層，下面層瀝青混凝土的間接拉伸強度衰減速率要慢一些，這說明環境因素及車載作用對下面層的破壞程度稍小，相同服役環境下，下面層表現出更好的耐久性。這主要是因為上面層直接暴露于環境中，與環境因素及車載作用直接接觸，且上面層對下面層起到保護作用。

對于不同服役期的瀝青路面，上面層與下面層的層間剪切強度測試結果如圖4所示。圖4清晰顯示出瀝青路面層間剪切強度隨服役時間的變化規律明顯不同于瀝青混凝土的間接拉伸強度，隨服役時間的延長，層間剪切強度表現出持續下降的趨勢。具體來看，當服役時間從0逐漸延長至48個月時，瀝青路面層間剪切強度從3.55 MPa漸漸下降至2.40 MPa；按照百分比計，經過4年的服役，瀝青路面層間剪切強度下降了32.4%，如圖5所示。而即便是與環境因素及車載作用直接接觸的上面層AC-13瀝青混凝土，經過4年的服役，其間接拉伸強度也只損失了23.6%，這說明瀝青路面層間剪切強度在服役期的損失程度更大。層間粘結面并未直接暴露于環境中，理論上環境因素對其產生的破壞要弱于對上面層瀝青混凝土產生的破壞，但其剪切強度的損失依然非常嚴重，這說明行車荷載在水平方向上對路面產生的剪切破壞非常強。按照圖2～圖5所示數據系列的發展趨勢預測，相比于瀝青混凝土內部自身的粘結失效，瀝青路面層間剪切失效發生的時間要更早，所以對于該市政次干道瀝青路面而言，耐久性受層間剪切性能的控制。這也表明，在分析瀝青路面耐久性時，除了考慮瀝青混凝土的性能，分析瀝青路面層間粘結特征也是非常有必要的。

3 結 論

以武漢市某市政道路為研究對象，基于不同服役期的瀝青路面芯樣，從瀝青混凝土間接拉伸強度和層間剪切強度兩方面分析了市政道路次干道瀝青路面的耐久性。結果表明，經過4年的服役后，上面層AC-13瀝青混凝土和下面層AC-20瀝青混凝土的間接拉伸強度分別下降了23.6%和19.6%；層間剪切強度在服役期的衰減則更嚴重，下降了32.4%，因此該市政道路次干道瀝青路面耐久性受層間剪切性能的控制。這說明在研究瀝青路面耐久性時考慮層間粘結性能是非常有必要的。