基于半圓彎曲試驗的在役瀝青路面抗裂性能評價方法研究

蔡海泉

（1.蘇交科集團股份有限公司，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”日趨嚴重，以江蘇省為例，截至目前，全省高速公路通車里程達到5026 km，其中通車時間超過10 a 的路段占比達到86.97%，超過15 a 的占比達到70.79%。雖然路面結構的整體狀況良好，但是“老齡化”路面的裂縫病害頻發，對路面結構整體性以及行車舒適性產生一定程度影響。

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

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

可見，國內外學者較為關注半圓彎曲試驗與間接拉伸試驗的比較，對于抗裂性能評價指標和評價標準關注較少。本文重點基于江蘇省多條長期服役高速公路芯樣的半圓彎曲試驗結果，提出在役瀝青路面抗裂性能評價標準，為半圓彎曲試驗的研究和應用提供參考。

1 半圓彎曲試驗評價方法

（1）試驗方法

SCB 試驗采用萬能材料試驗機（UTM）進行，采用三點加載模式，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。通過設備的自動數據采集系統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，試件中間預切縫，切縫深度分別為25.4 mm和38 mm[7]。

（3）試驗條件

試驗溫度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）評價指標

采用臨界應變能Jc評價瀝青混合料的抗裂性能，Jc指標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，具體按以下公式計算。

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

累積能量U 按式（2）計算。

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

2 抗裂性能評價標準建立

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

表1 半圓彎曲試驗結果

統計半圓彎曲試驗結果，并繪制臨界應變能頻率直方圖和正態曲線，見圖1。同時，繪制臨界應變能與橫向裂縫間距關系曲線，見圖2。

圖1 臨界應變能分布圖

圖2 臨界應變能與橫向裂縫間距關系圖

根據臨界應變能試驗結果，總體而言臨界應變能分布集中在0.3～0.7 kJ/m2之間。同時，將臨界應變能與橫向裂縫間距進行比對，二者呈一定的正相關關系，即臨界應變能越大，橫向裂縫間距越大，裂縫密度越小，但是相關性顯著性較低。

將臨界應變能分布曲線的20%和80%分位點作為評價標準界限，可得到半圓彎曲試驗評價瀝青混合料抗裂性能的標準見表2。

表2 上面層臨界應變能評價標準

根據取芯路段路面的橫向裂縫間距，同樣取20%和80%分界點作為路面狀況指標分界點，對應的橫向裂縫間距分別為15 m 和150 m，將臨界應變能評價等級與橫向裂縫間距進行交叉分析，結果見表3。

表3 不同評價等級路段橫向裂縫分布概率

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

3 結論

基于江蘇省高速公路典型路段芯樣半圓彎曲試驗研究及分析，得到以下結論：

（1）采用半圓彎曲試驗能夠量化評價瀝青路面的抗裂性能，一般而言，臨界應變能越大，橫向裂縫間距越大。

（2）根據臨界應變能分布規律，將抗裂性能評價等級分為3 級，不同等級臨界應變能分別為0.3 kJ/m2和0.7 kJ/m2。

同時，本文的研究結論主要基于所選取高速公路芯樣的試驗結果，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標準。