超服役周期沥青路面抗裂性能及疲劳性能评价*

安景峰 胡洪龙 程 龙 张定一

(1.江苏省交通工程建设局 南京 210096；2.华设设计集团股份有限公司 南京 210096 3.东南大学交通学院 南京 210096)

截止至2018年年底，江苏省服役年限超过15年的高速公路里程为2 730.83 km，占全省高速公路总里程的58%，服役年限10～15年的高速公路占全省高速公路总里程的20%，按照设计年限或累计轴载，大部分高速公路已经超过服役周期或已达到使用末期。另一方面，我国双向四车道高速公路占全部高速公路总量的81.9%，随着国民经济的快速增长，早期建成的双向四车道高速公路交通量和交通荷载不断增加，原有设计通行能力与日益增长的交通需求之间的差距越来越大，因此早期建成的诸多高速公路亟须进行改扩建以改善现状。

目前国内外学者针对路面养护和大中修工程中既有路基路面结构现状评估与所涉及的检测手段、评价指标、利用方案等已做了较为广泛的研究，并取得了一定的成果[1]。但总体而言，改扩建工程中既有路面性能的评价仍缺少科学的方法[2]。经过研究发现，利用我国现有的评价指标划分出的等级相同或得分相近的路段，其路面实际破损状况存在较大的差异[3-5]，并不能有效地指导改扩建工程。周岚等[6]认为我国需要建立更完善的道路评价指标，以应用于实际的改扩建工程。王笑风等[7]针对现有路面评价指标不适用于高速公路改扩建的问题,提出路面面层评判关键指标——路面修补率。因此从路面材料的力学性能入手，找到一套可以反映超服役周期沥青路面实际使用和破损情况的评价指标尤为重要。

近年来，国内外研究人员提出了基于路面芯样的半圆弯曲试验方法[8](国外称之为semi-circular bending test，SCB试验)。该方法基于断裂力学原理[9]，被美国AASHTO试验规范引入，已逐渐应用于评价沥青混合料的低温性能。SCB试验适用性强，操作简单，相比于小梁试件，钻芯取样相对容易且对路面损坏小[10]。

基于此，本文通过考虑路面横向裂缝间距这一因素，选取6个典型路段，钻芯取样，对其中面层进行SCB劈裂试验和疲劳试验，获取破坏荷载、弯拉强度、断裂能和疲劳寿命等关键参数，建立这些参数与路面抗裂性能和疲劳性能之间的关系，为超服役周期沥青路面抗裂性能及疲劳性能评价提供支撑，从而用以指导我国高速公路的改扩建工程。

1 材料概况与试验方法

本研究从江苏某高速公路服役年限超过15年路段中选取了6个不同病害及破损状况的典型路段A、B、C、D、E、F作为钻芯取样的样本段。6个典型路段的不同路面状况评价指标得分情况、横向裂缝间距和当量轴载作用次数见表1。

表1 6个典型路段的基本情况

由表1可知，6个路段在不同的路面指标评价中得分十分接近或处于同一等级，但路面横向裂缝间距和当量轴载作用次数却相差很大，从而可以证明我国现有的路面状况评价指标不能很好地反映路面实际的破损状况。

经过调研，选择在这6个典型路段行车道和硬路肩裂缝边缘取样，共得到芯样243个。试验所需芯样均来源于中面层，混合料类型为普通沥青AC-20，取芯位置示意见图1。

图1 取芯位置示意图(单位：cm)

1.1 SCB试验方法

沥青混合料的半圆弯曲(SCB)试验装置见图2，试件底部有2个平行圆柱固定支座，可以根据试件尺寸及需求调整位置和间距，半圆顶部是一个圆柱形压头，系统通过压头提供相应的荷载。AASHTO TP105所提出的SCB试验规程中，试件的尺寸为直径150 mm、厚度50 mm、缝深15 mm，其中两圆棒支点的距离S为120 mm，相当于半圆试件直径的80%。

图2 SCB试样制备原理图及试验程序(单位：mm)

AASHTO TP105规范规定SCB试验温度采用中温25 ℃，鉴于我国沥青混合料小梁弯曲疲劳试验的测试温度为15 ℃，因此将SCB试验温度设置为15 ℃。SCB疲劳试验加载频率采用10 Hz。

本文所进行的SCB劈裂试验和疲劳试验均采用上述规范数值，2种试验的参数对比见图3。

图3 SCB劈裂试验和疲劳试验参数对比分析图

1.2 弯拉强度和断裂能

SCB试验技术的前提在于断裂力学基本理论， 欧洲EN12697-44：2010中规定，破坏时的最大弯拉应力σmax按式(1)计算。

(1)

式中：σmax为最大弯拉应力，MPa；Fmax为最大荷载，N；D为芯样直径，mm；t为芯样厚度，mm。

美国AASHTO TP105-2015中规定断裂能的计算公式为

(2)

2 抗裂性能评价

2.1 破坏荷载分析

6个典型路段横向裂缝间距和破坏荷载见图4。其中，裂缝间距为50 m的路段E破坏荷载最大，最大破坏荷载为7.3 kN。裂缝间距为166.6 m的路段B破坏荷载最小，最小破坏荷载为6 kN。整体来看，6个典型路段的破坏荷载差别不大，且并没有随着横向裂缝间距的增加或减少而产生显著的变化。通过对横向裂缝间距和破坏荷载进行回归分析，得到回归系数(R2=0.006 7)，可知两者并没有相关性。

图4 6个典型路段横向裂缝间距和破坏荷载

2.2 弯拉强度分析

因为本实验SCB芯样采用预切口处理，所以采用EN12697-44计算6个典型路段中面层的弯拉强度，6个典型路段中面层的弯拉强度及其与路面横向裂缝间距的回归关系见图5。由图5b)可见，二者的相关性并不高(R2=0.553 4)。

图5 6个典型路段的弯拉强度及其与横向裂缝间距的回归关系

通过上述实验结果可知，横向裂缝间距与破坏荷载和弯拉强度均没有相关性，产生这种现象的原因可能是不同路段中面层芯样级配和沥青种类都一样，虽然在服役过程中，各路段承受车辆荷载作用次数有一定差别，但对沥青混合料破坏荷载和弯拉强度的影响并不明显。

2.3 断裂能分析

6个典型路段的断裂能及其与横向裂缝间距的回归关系见图6。

图6 6个典型路段的断裂能及其与横向裂缝间距的回归关系

当横向裂缝间距小于100 m时，即只有C、D、E、F4个典型路段，横向裂缝间距与断裂能的相关性比较高(R2=0.984 4)。典型路段中面层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，尤其当裂缝间距小于100 m时，既有路面材料的断裂能明显低于裂缝间距大于100 m的路段，因此断裂能可以作为制定既有高速公路改扩建策略的评价指标。

3 疲劳性能评价

6个典型路段中面层在不同应力比下的疲劳作用次数见图7。

图7 疲劳作用次数

由图7可见，6个典型路段在单一应力比下疲劳作用次数存在差异。以路段A和路段C为例，在0.2应力比下，A路段疲劳作用次数大于C路段；在0.3应力比下，A路段疲劳作用次数小于C路段，两者相矛盾，因此我们无法通过单一应力比下疲劳作用次数来评价路段的疲劳性能。

由上述说明可知，如果能找到一种可以描述路面疲劳性能的回归表达式，利用回归表达式可预测路面剩余寿命，将为路面改扩建提供一种新的思路和依据。

3.1 疲劳寿命-应力比相关性分析

在单对数和双对数坐标下分别对疲劳寿命(Nf)和应力比(μ)进行回归分析，回归结果见图8。

图8 单、双对数坐标下疲劳寿命和应力比的回归结果

由图8回归结果可知，基于疲劳寿命和应力比的单、双对数回归，其回归相关性高(R2>0.95)。而且在相同应力比下进行回归，整体性好且能更加清晰地看到同一应力比下不同路段的疲劳寿命差异。但这2种回归方程与路段的疲劳性能存在一些差异，不能反映路面横向裂缝间距和轴载作用次数对疲劳性能的影响。以路段A和路段F为例，路段A横向裂缝间距和轴载作用次数最大，分别为250 m、679.81万次。路段F与之相反，其横向裂缝间距和轴载作用次数最小，分别为41.66 m、385.2万次。路段F承受最少轴载作用次数裂缝数量却最多，且其在不同应力比下疲劳寿命差异巨大，因此该路段抗重载能力差且存在严重的老化现象，故其斜率绝对值应大于路段A，甚至大于路段B。

3.2 疲劳寿命-应力幅相关性分析

在单对数和双对数坐标下分别对疲劳寿命(Nf)和应力幅(σ)进行回归分析，回归结果见图9。

图9 单、双对数坐标下疲劳寿命和应力幅的回归结果

由图9回归结果可知基于疲劳寿命和应力幅的单、双对数回归，其回归相关性系数平均较高(R2>0.95)。且应力幅相较于应力比，考虑了不同样本的单次SCB劈裂试验的劈裂强度和试件尺寸效应，包含的数据信息更多，区分度更强。同时还能考虑到横向裂缝间距和轴载作用次数对路段疲劳性能的影响。但在双对数坐标下，B路段回归相关性低(R2=0.860 1)且双对数回归方程与路段的疲劳性能存在差异。以路段B和路段D为例，路段B在各个应力比下的疲劳寿命均小于路段D，且其轴载累计作用次数为420.02万次，小于D路段的560.49万次，故其疲劳方程斜率绝对值应大于D。

综合上述分析，建议采用基于疲劳寿命和应力幅的单对数线性回归方程作为评价路面疲劳性能的疲劳方程。

4 结语

本文通过对6种典型路段中面层芯样进行SCB劈裂试验和疲劳试验，建立破坏荷载、弯拉强度、断裂能和疲劳寿命等参数与沥青路面抗裂性能及疲劳性能的关系，从而为我国高速公路改扩建工程提供参考。研究结论如下。

1) 通过破坏荷载、弯拉强度与横向裂缝间距的回归结果可知，破坏荷载和横向裂缝间距之间的相关性系数R2=0.006 7，弯拉强度和横向裂缝间距之间的相关性系数R2=0.553 4，两者相关性系数均较低，故破坏荷载和弯拉强度不能作为评价不同病害及破损情况下沥青路面抗裂性能的指标。当横向裂缝间距小于100 m时，断裂能和横向裂缝间距的相关性系数R2=0.984 4,故断裂能可以用来评价不同病害沥青路面的抗裂性能。

2) 通过建立lgNf-μ、lgNf-lgμ、lgNf-σ、lgNf-lgσ这4种不同形式的疲劳方程，可知6个典型路段在这4种回归方式下平均相关性系数均较高(R2>0.95)，但考虑到lgNf-σ形式下的疲劳方程能包含更多的数据信息，同时和路面的疲劳性能对应更准确，故推荐采用lgNf-σ形式下的疲劳方程来评价路面的疲劳性能。

3) 通过上述结论和分析可知，本文所选取6个典型路段的抗裂性能排序为B>A>C>D>E>F，疲劳性能排序为E>A>C>D>B>F。

4) 基于SCB的劈裂试验和疲劳试验能够较好地评价沥青路面的抗裂性能和疲劳性能。