SCB試驗表征瀝青路面抗開裂性能的適用性探究

封雅宏 袁博 余昕潔 唐小亮 周振亞

（1.石家莊市交建高速公路建設管理有限公司，河北 石家莊 050000；2.中路高科（北京）公路技術有限公司 北京 100088；3.河北科技大學，河北 石家莊 050000）

一、引言

疲勞開裂是柔性路面的一種主要斷裂破壞模式，是由長期反復的交通荷載引起的。疲勞開裂的發生取決于路面的結構承載力、施工質量、瀝青混合料的抗開裂性能等。對于瀝青混合料材料，可以通過一些室內斷裂試驗來評估瀝青混合料的抗開裂強度。例如，小梁四點彎曲疲勞試驗、間接拉伸強度試驗和半圓彎曲試驗等。而傳統的小梁四點彎曲疲勞試驗測量的是達到一定損傷累積水平的荷載重復次數或小梁試件耗散能。近年來，半圓彎曲試驗 (Semi-Circular Bending Test，簡稱“SCB試驗”)因其相對簡單的試驗流程和較為準確的指標評價而受到許多研究人員的大力研究。

美國路易斯安那州交通研究中心（LTRC）的研究人員將SCB試驗裝置作為表征瀝青混合料抗開裂性能的試驗方法，測定了13種路面瀝青混合料的臨界應變能，試驗結果認為SCB試驗可以作為評價瀝青混合料抗開裂性能的工具。為解決疲勞彎曲試驗結果與實際開裂程度相關性較低的問題，哈爾濱工業大學馮德成等人引入了SCB試驗研究混合料低溫斷裂性能，試驗結果表明SCB試驗能真實反映瀝青路面的低溫開裂狀況，并提出了采用SCB試驗的斷裂能作為評價瀝青混合料低溫性能的關鍵指標。

本文通過分析熱拌瀝青混合料（HMA）的SCB試驗實測Jc值與瀝青路面現場性能的關系，評價SCB試驗方法預測瀝青路面疲勞開裂性能的有效性和適用性。選取9條舊瀝青路面作為實驗對象，采用其生產配合比制備混合料并進行SCB試驗得到Jc值。并與現場檢測的裂縫數據進行了回歸分析以評估SCB試驗與現場抗裂性能之間的關系。

二、試驗方案

（一）半圓彎曲試驗方案

SCB試驗根據臨界應變能或斷裂能Jc來表征瀝青混合料的抗斷裂性能。Jc是每個切口深度的應變能變化率（dU/da）的函數，如公式（1）所示，表示在混合料中形成單位面積的斷裂面時消耗的應變能。因此，Jc值越高，說明材料抗開裂性和抗裂紋擴展的能力越強。

圖1 SCB試驗的荷載-變形曲線

為了確定Jc值，本文測試了三種不同切口深度的試樣，SCB試驗選用的三個切口深度分別為25.4mm、31.8mm及38.0mm。基于“a/rd”的比值（缺口深度與試樣半徑的比率），其理想范圍為0.5到0.75。試驗過程為，將SCB試件放置在MTS儀器以0.5mm/min的恒定速率加載，直至試件發生斷裂破壞。在試驗過程中連續記錄載荷和變形數據，并用于生成一系列載荷-變形曲線，如圖1所示，并采用公式（1）計算得出Jc的臨界值。

式中，Jc代表臨界應變能（kJ/m2）；

b代表試件厚度（m）；

a代表切口深度（m）；

U代表破壞應變能（kJ）

圖1中有三條曲線，分別代表具有三個不同切口深度試樣的破壞應變能U。然后將U值繪制在對應切口深度的曲線上，以計算線性回歸線的斜率，即方程式（1）中的dU/da。然后用dU/da除以試樣的寬度b，計算斷裂抗力的臨界值Jc。

（二）現場裂縫檢測方案

本文采用自動道路分析儀（ARAN）和LADOTD路面破損數據采集系統，每兩年對路表進行一次檢測。ARAN系統分別收集了四種類型的裂縫模式，即“橫向”“縱向”“龜裂”和“隨機”裂縫，將嚴重程度分別為低、中、高三檔。本文中沒有考慮縱向和隨機裂紋模式，因為這些損傷可能與HMA疲勞抗力沒有密切關系，僅考慮“橫向裂縫”和“龜裂”兩種裂紋類型。

在ARAN系統中，橫向裂縫以dm/0.1km為單位進行檢測報告，龜裂以dm2/0.1km為單位進行檢測報告。因此，每個項目都由不同數量的單元段組成，每個單獨節段包含低、中、高等程度的橫向開裂計數和龜裂數量。ARAN系統中橫向(TC)或龜裂(AC)平均裂縫數的計算公式為：

式中，C平均代表橫向(TC)或龜裂(AC)的平均裂縫數；

C低、C中、C高代表裂紋的嚴重程度分為低、中、高；

n代表現場檢測中檢測段的數量。

在計算橫向裂縫和龜裂的平均裂縫數時，沒有考慮不同裂縫嚴重程度的權重因素。為了將具有不同單位的橫向裂縫和龜裂合并為一個單一的復合裂縫指數（Ccomp），需要將龜裂面積單位通過取平方根轉換為相同的描述尺度。如公式（3）所示。

復合開裂指數僅表示現場開裂性能的簡單指標，不考慮裂縫嚴重程度、總路面結構、氣候條件和施加的交通荷載。

表1 現場開裂檢測數據

圖2 SCB試驗所測得的九種瀝青混合料的臨界應變能

三、試驗結果與分析

9種路面裂縫調研結果如表1所示。SCB試驗所測得的9種瀝青混合料的臨界應變能Jc值如圖2所示。

9種瀝青混合料的臨界應變能Jc值在0.74kJ/m2～1.57kJ/m2之間，平均值為1.05kJ/m2，中位數為0.96kJ/m2。L-5路段的磨耗層瀝青混合料的Jc值最高，而L-1路段的磨耗層瀝青混合料的Jc值最低。因此，僅根據測得的Jc值，可推測L-5路段的現場開裂性能將優于L-1路段。同樣，根據SCB試驗結果，預計L-8路面比L-2、L-7或L-9路面具有更好的抗裂性。

現場裂縫統計數量和臨界應變能Jc之間的對應關系，如表2所示。在比較瀝青混合料Jc值和路面抗裂性時，應考慮到其他影響因素，如路面結構、氣候環境和交通荷載等，以便更準確地進行比較。如圖3所示，復合裂縫指數通過施加的等效單軸荷載（ESAL）進行歸一化，以便使用每百萬ESAL為單位表示路面的開裂性能。由于這9個路段均位于一座城市中，因此沒有考慮氣候影響。

表2 路面開裂率與Jc值之間的關系

圖3 路面開裂率與Jc之間的關系

從表2可以看出，L-5路段的Jc值最高，且路表開裂程度最小。此外，L-5路段每百萬ESALs對應的開裂率明顯低于其他8條路段。L-8路段在裂縫數量和裂縫率方面排名第二。而Jc值最低的L-1路段的裂縫數和裂縫率則明顯高于兩種性能最好的路面。盡管如此，與其他路面相比，L-1路段的抗開裂性能仍然較好。而Jc值排名第8的L-2路段，其路面開裂性能在9個路段中是最差的。

路面裂縫率和Jc值之間的相關性如圖3所示，并對二者之間的相關性進行了擬合。隨著Jc值的增加，回歸曲線呈下降趨勢，這說明隨著瀝青混合料抗開裂強度的提高，路面開裂率呈降低趨勢。回歸方程的相關系數R2=0.58。試驗結果表明，可采用SCB試驗方法在現場評價瀝青路面的疲勞開裂性能。

四、結語

本文采用9種瀝青混合料的室內抗開裂性能試驗與現場檢測所獲得的開裂性能數據進行比較，試驗結果表明，SCB試驗結果與現場裂縫率有較好的相關性，且臨界應變能隨著裂縫率的降低而增加。綜上所述，本文認為采用SCB試驗可以很好地評價瀝青混合料的抗開裂性能。