蔡海泉

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國家工程研究中心，江蘇 南京 211112）

0 引言

近年來，瀝青路面“老齡化”日趨嚴(yán)重，以江蘇省為例，截至目前，全省高速公路通車?yán)锍踢_(dá)到5026 km，其中通車時(shí)間超過10 a 的路段占比達(dá)到86.97%，超過15 a 的占比達(dá)到70.79%。雖然路面結(jié)構(gòu)的整體狀況良好，但是“老齡化”路面的裂縫病害頻發(fā)，對路面結(jié)構(gòu)整體性以及行車舒適性產(chǎn)生一定程度影響。

瀝青混合料抗裂性能評估一直是研究的重點(diǎn)，常用的評價(jià)方法包括間接拉伸試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)。但是，間接拉伸試驗(yàn)中，試件呈雙向應(yīng)力狀態(tài)，試件中間的最大水平向拉應(yīng)力是該處豎直向壓應(yīng)力的三分之一左右，與路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)有較大差異。小梁彎曲試驗(yàn)可用于新成型瀝青混合料的抗裂性能評價(jià)，對于既有瀝青路面的評估時(shí)，試件獲取制備較困難。與常用的這兩種試驗(yàn)相比，半圓彎曲試驗(yàn)（semi-circular bending test，SCB）試件的制備、試驗(yàn)都比較簡便，而且試件的受力狀態(tài)與實(shí)際受力狀態(tài)差異較小，較適合用于評價(jià)瀝青路面抗裂性能。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了較多抗裂性能的研究。Erkens[1]等人認(rèn)為SCB 試驗(yàn)較為簡單、便捷，且能夠滿足瀝青混合料質(zhì)量控制要求；Huang Baoshan[2]等通過對比SCB 試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)，認(rèn)為SCB 試驗(yàn)用于評價(jià)瀝青混合料抗彎拉性能更好；劉宇[3]等人調(diào)研分析了SCB 試驗(yàn)的發(fā)展和應(yīng)用情況；楊大田[4]等人對比了SCB 與小梁彎曲試驗(yàn)，認(rèn)為SCB 對于瀝青混合料的力學(xué)特性的表征更適合；付欣[5]等人通過有限元模型模擬了SCB 試驗(yàn)，并提出了適宜的試驗(yàn)參數(shù)；熊愛明[6]等人通過對比試驗(yàn)分析，認(rèn)為SCB 試驗(yàn)中采用斷裂能能較好地評價(jià)低溫性能。

可見，國內(nèi)外學(xué)者較為關(guān)注半圓彎曲試驗(yàn)與間接拉伸試驗(yàn)的比較，對于抗裂性能評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注較少。本文重點(diǎn)基于江蘇省多條長期服役高速公路芯樣的半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果，提出在役瀝青路面抗裂性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為半圓彎曲試驗(yàn)的研究和應(yīng)用提供參考。

1 半圓彎曲試驗(yàn)評價(jià)方法

（1）試驗(yàn)方法

SCB 試驗(yàn)采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)（UTM）進(jìn)行，采用三點(diǎn)加載模式，底部為梁式支座，支座與上壓頭均為直徑1 cm 的圓柱體，支座中心間距為12 cm。通過設(shè)備的自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄豎向的壓力與位移。

（2）試件尺寸

混合料芯樣試件尺寸為直徑150 mm，厚度38～60 mm，試件中間預(yù)切縫，切縫深度分別為25.4 mm和38 mm[7]。

（3）試驗(yàn)條件

試驗(yàn)溫度25℃，加載速率0.5 mm/min，分別測定不同開口深度試件的累積能量。

（4）評價(jià)指標(biāo)

采用臨界應(yīng)變能Jc評價(jià)瀝青混合料的抗裂性能，Jc指標(biāo)表示單位寬度瀝青混合料條件下開裂單位深度所需的能量值，具體按以下公式計(jì)算。

式中：Jc為臨界應(yīng)變能，kJ/m2；b 為試件厚度，m；a 為開口深度，m；U 為試件破壞時(shí)的累積能量，kJ；dU/da為不同開口深度條件下破壞時(shí)累積能量變化，kJ/m。

累積能量U 按式（2）計(jì)算。

式中：U 為試件破壞時(shí)的累積能量，即荷載- 跨中撓度曲線下的面積；xi為第i 點(diǎn)的豎向位移，mm；xi+1第i+1 點(diǎn)的豎向位移，mm；yi第i 點(diǎn)的荷載，kN；yi+1第i+1 點(diǎn)的荷載，kN。

2 抗裂性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立

在江蘇省多條典型高速公路進(jìn)行現(xiàn)場取芯，覆蓋全省8 條高速公路，通車年限及現(xiàn)場裂縫間距不等，現(xiàn)場取芯過程中同步記錄平均橫向裂縫間距，累計(jì)取芯35 處。采用本文的半圓彎曲試驗(yàn)方法分別開展試驗(yàn)，各路段芯樣上面層半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果，并繪制臨界應(yīng)變能頻率直方圖和正態(tài)曲線，見圖1。同時(shí)，繪制臨界應(yīng)變能與橫向裂縫間距關(guān)系曲線，見圖2。

圖1 臨界應(yīng)變能分布圖

圖2 臨界應(yīng)變能與橫向裂縫間距關(guān)系圖

根據(jù)臨界應(yīng)變能試驗(yàn)結(jié)果，總體而言臨界應(yīng)變能分布集中在0.3～0.7 kJ/m2之間。同時(shí)，將臨界應(yīng)變能與橫向裂縫間距進(jìn)行比對，二者呈一定的正相關(guān)關(guān)系，即臨界應(yīng)變能越大，橫向裂縫間距越大，裂縫密度越小，但是相關(guān)性顯著性較低。

將臨界應(yīng)變能分布曲線的20%和80%分位點(diǎn)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)界限，可得到半圓彎曲試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料抗裂性能的標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 上面層臨界應(yīng)變能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)取芯路段路面的橫向裂縫間距，同樣取20%和80%分界點(diǎn)作為路面狀況指標(biāo)分界點(diǎn)，對應(yīng)的橫向裂縫間距分別為15 m 和150 m，將臨界應(yīng)變能評價(jià)等級與橫向裂縫間距進(jìn)行交叉分析，結(jié)果見表3。

表3 不同評價(jià)等級路段橫向裂縫分布概率

由表3 可見，臨界應(yīng)變能評價(jià)等級為1 和2 時(shí)，橫向裂縫間距大于150 m 的概率為25%，顯著高于評價(jià)等級3 路段橫向裂縫間距；當(dāng)臨界應(yīng)變能評價(jià)等級為3 時(shí)，橫向裂縫間距小于15 m 的概率為33%，較1 級和2 級偏高。

3 結(jié)論

基于江蘇省高速公路典型路段芯樣半圓彎曲試驗(yàn)研究及分析，得到以下結(jié)論：

（1）采用半圓彎曲試驗(yàn)?zāi)軌蛄炕u價(jià)瀝青路面的抗裂性能，一般而言，臨界應(yīng)變能越大，橫向裂縫間距越大。

（2）根據(jù)臨界應(yīng)變能分布規(guī)律，將抗裂性能評價(jià)等級分為3 級，不同等級臨界應(yīng)變能分別為0.3 kJ/m2和0.7 kJ/m2。

同時(shí)，本文的研究結(jié)論主要基于所選取高速公路芯樣的試驗(yàn)結(jié)果，隨著研究的深入，通過更多的代表性芯樣不斷更新完善本文提出的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。