寒區(qū)道路Top-Down裂縫成因分析*

肖 卓 黃 勇 李 展 李邵輝 王泳丹 王 春

(長(zhǎng)安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 西安 710064)(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司2) 成都 610081)

0 引 言

路面開(kāi)裂是瀝青混凝土路面的最主要的病害類(lèi)型之一.裂縫作為早期病害，出現(xiàn)之后會(huì)在裂縫附近區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而使裂縫不斷擴(kuò)展，甚至誘發(fā)其他路面病害.與基層反射裂縫從下往上開(kāi)裂的裂縫形式相對(duì)，還有一種從上往下開(kāi)裂的裂縫形式——Top-Down裂縫.老化后的瀝青路面抗疲勞性能變差，在荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力的雙重作用下，更易發(fā)生從路面表層向下擴(kuò)展的疲勞開(kāi)裂，也就是Top-Down裂縫.以往文獻(xiàn)表明，影響 Top-Down 裂縫開(kāi)裂的因素主要有荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力、瀝青結(jié)合料老化程度、施工質(zhì)量等[1-6].在氣候嚴(yán)寒地區(qū)，冬季面層將承受較大的溫縮應(yīng)力，低溫收縮也會(huì)造成路面裂縫的產(chǎn)生.

以往對(duì)Top-Down裂縫的研究多通過(guò)ABAQUS軟件建模、有限元建模、ANSYS 軟件數(shù)值模擬、室內(nèi)成型試件進(jìn)行試驗(yàn)等方法進(jìn)行[7-10].建模和數(shù)值模擬的方法可以對(duì)荷載應(yīng)力分布、溫度場(chǎng)的影響和裂縫的擴(kuò)展情況等進(jìn)行模擬，但路用條件極其復(fù)雜多變，難以將所有影響因素考慮其中；室內(nèi)成型試件進(jìn)行試驗(yàn)又受到成型條件和試驗(yàn)條件的影響.鑒于此，本文從Top-Down裂縫病害發(fā)生路段區(qū)分路況(優(yōu)、中、差)進(jìn)行芯樣和路面板的取用，用現(xiàn)場(chǎng)鉆取得到的芯樣和路面板分層(上、中、下面層)切割試件進(jìn)行試驗(yàn).從現(xiàn)場(chǎng)路面鉆取的芯樣和路面板最能代表路面實(shí)際性能，通過(guò)優(yōu)、中、差路況試驗(yàn)指標(biāo)優(yōu)劣的對(duì)比，以不同路況下不同試驗(yàn)指標(biāo)的差異作為T(mén)op-Down裂縫影響因素的重要表征，進(jìn)行寒區(qū)Top-Down裂縫成因分析.

1 試驗(yàn)方案及試件制備

1.1 取樣路段概況

某高速公路2013年底建成通車(chē)，路面結(jié)構(gòu)從上至下為：4cm AC-13(5%SBS)改性瀝青混凝土、5 cm AC-16(5%SBS)改性瀝青混凝土、7cm AC-25(90#基質(zhì))普通瀝青混凝土、20 cm水泥穩(wěn)定碎石基層、32 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層.調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某標(biāo)段部分路段裂縫較嚴(yán)重，多條重度橫向裂縫及多處局部網(wǎng)狀裂縫.根據(jù)全厚度騎縫路面芯樣，路面裂縫僅存在于路表表面層和中面層，并有向路面下層進(jìn)一步開(kāi)裂趨勢(shì)，路面基層水泥穩(wěn)定碎石尚完好，沒(méi)有開(kāi)裂，因此，判斷路面裂縫為T(mén)op-Down裂縫.

1.2 試驗(yàn)方案

芯樣及路面板取樣地區(qū)處于Ⅱ3區(qū)，為季凍區(qū)，冬季寒冷，最低月平均氣溫為-20 ℃，年最高氣溫不到30 ℃，瀝青路面面層將承受較大低溫收縮應(yīng)力；結(jié)合料的老化，使其膠結(jié)能力下降，瀝青指標(biāo)上表現(xiàn)為針入度降低、軟化點(diǎn)升高、延度下降；無(wú)論車(chē)輛對(duì)路面的荷載應(yīng)力、環(huán)境作用產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，都和混合料的疲勞性能緊密相連.綜合考慮以上因素，作者對(duì)好、中、差三種路況芯樣和路面板分層(上、中、下面層)切割的試件進(jìn)行瀝青抽提后三大指標(biāo)試驗(yàn)(瀝青老化)、OT試驗(yàn)(低溫疲勞性能)及小梁彎曲試驗(yàn)(低溫抗裂性能)，以對(duì)寒區(qū)Top-Down裂縫成因進(jìn)行分析.

1.3 試件的制備

1.3.1現(xiàn)場(chǎng)取樣方案

首先對(duì)該標(biāo)段進(jìn)行全線路況調(diào)研(包括上行、下行兩個(gè)方向)，根據(jù)路況“優(yōu)、中、差”選取上行方向三個(gè)代表路段，分別在三個(gè)代表路段鉆芯、切割路面板，每種路況“芯樣不少于八個(gè)、路面板不少于兩塊”.

路況較差路段，進(jìn)行全厚度150 mm孔徑、騎縫鉆芯三個(gè)，并分別在超車(chē)道鉆取完整芯樣兩個(gè)，硬路肩鉆取完整芯樣六個(gè)，硬路肩路面板切割兩塊；其它路況路段芯樣、路面板選取位置均為硬路肩.路面芯樣及路面板切割樁號(hào)位置見(jiàn)表1～2.

表1 路段選取、取芯樁號(hào)(芯樣直徑150 mm)

注：騎縫鉆芯為(面層+基層)全厚度取芯(16+20 cm)，其他均為面層取芯(16 cm).

表2 路面板切割樁號(hào)(切取板體尺寸300 mm×400 mm×160 mm)

1.3.2試件的制備

室內(nèi)分層(上、中、下面層)切割上述鉆取的路面板和芯樣，進(jìn)行試件的制備，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的切割工藝和試件尺寸見(jiàn)表3.

表3 對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的切割工藝和試件尺寸

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

2.1 瀝青抽提及三大指標(biāo)試驗(yàn)

利用三氯乙烯對(duì)瀝青的極強(qiáng)溶解性，將瀝青從瀝青混合料中溶解分離出來(lái)，再利用離心設(shè)備、蒸餾設(shè)備等將瀝青回收，對(duì)所得瀝青進(jìn)行各項(xiàng)相關(guān)試驗(yàn)并觀察其指標(biāo)情況，以評(píng)價(jià)施工階段或者路面使用階段的瀝青老化問(wèn)題.

瀝青路面與外部環(huán)境直接接觸，在自然因素(光、熱、氧和水)的作用下， 隨著時(shí)間的推移瀝青的膠體結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化且這種變化不可逆，最終導(dǎo)致瀝青硬化變脆喪失原有的流變性、柔韌性和粘附性，通常在三大指標(biāo)上表現(xiàn)為，針入度下降，軟化點(diǎn)升高、延度減小.

分別對(duì)三種路況(優(yōu)、中、差)路面芯樣分層(上、中、下面層)進(jìn)行瀝青抽提試驗(yàn)，對(duì)抽提瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)結(jié)果，分析其老化情況.三種路況(優(yōu)、中、差)路面芯樣上、中、下面層抽提瀝青的三大指標(biāo)平均值數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1.

圖1 三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，同一面層位置隨著路況的變差，瀝青的針入度均逐漸減小，軟化點(diǎn)均逐漸增大，延度均逐漸減小，瀝青的老化程度逐漸增大；路況差的路段對(duì)應(yīng)瀝青老化嚴(yán)重，且均不符合對(duì)應(yīng)結(jié)合料老化后的針入度和延度標(biāo)準(zhǔn).可以得出，結(jié)合料的老化是寒區(qū)Top-Down裂縫產(chǎn)生的原因之一.

2.2 OT試驗(yàn)

OT(Overlay Tester)為一種綜合測(cè)試裝置，可用于測(cè)試瀝青混合料低溫疲勞性能.其含有兩塊鋼板，一個(gè)是固定的，另一個(gè)可以水平方向移動(dòng)，可以模擬車(chē)輪荷載不斷產(chǎn)生的拉伸—壓縮反復(fù)疲勞作用和溫度的疲勞作用在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的重復(fù)拉應(yīng)力.

區(qū)分路況(優(yōu)、中、差)和層位(上、中、下面層)切割路面芯樣成圖2試件要求尺寸.其中，試驗(yàn)溫度為25 ℃.OT試驗(yàn)終止條件為：加載次數(shù)達(dá)到1 200次時(shí)的荷載損失率，或荷載損失率達(dá)到93%時(shí)的終止循環(huán)次數(shù).

圖2 OT試驗(yàn)試件尺寸示意圖(單位：mm)

三種路況(優(yōu)、中、差)路面芯樣上、中、下面層試件循環(huán)加載次數(shù)到達(dá)1 200次時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載損失率的平均值見(jiàn)表4.

表4 OT試驗(yàn)結(jié)果(當(dāng)前載荷損失) %

由表4可知，載荷運(yùn)行次數(shù)達(dá)到1 200次時(shí)，同一面層位置隨著路況的變差，對(duì)應(yīng)試件載荷損失率逐漸增大.以瀝青路面上面層AC-13為例說(shuō)明情況：路況較優(yōu)路段，載荷次數(shù)達(dá)到1 200次后，其載荷損失率較少，為62.78%，說(shuō)明路況較好路段AC-13具有較好抗疲勞開(kāi)裂能力；而路況較差路段，達(dá)到1 200次載荷作用次數(shù)后，載荷損失率較大，為86.42%，說(shuō)明該路段AC-13瀝青混凝土抗疲勞開(kāi)裂能力較差.不同路況的中、下面層規(guī)律與上面層一致.可以得出，疲勞應(yīng)力是寒區(qū)Top-Down裂縫產(chǎn)生的原因之一.

2.3 小梁彎曲試驗(yàn)

為測(cè)試瀝青面層材料低溫抗彎拉性能，進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)測(cè)試小梁試件的最大載荷PB及跨中撓度d，并根據(jù)試件尺寸計(jì)算該層瀝青混凝土低溫抗彎拉強(qiáng)度RB、破壞時(shí)的梁底最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖及破壞彎曲勁度模量SB.

由文獻(xiàn)[11]可知，區(qū)分路況(優(yōu)、中、差)和層位(上、中、下面層)切割路面板成試件尺寸300 mm×40 mm×40 mm的試件，試驗(yàn)溫度-10 ℃，加載速率50 mm/min，跨徑200 mm，上壓頭居中加載.三種路況(優(yōu)、中、差)路面上、中、下面層低溫小梁試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)的平均值見(jiàn)圖3.

圖3 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，不同層位不同路況的低溫小梁試驗(yàn)的三個(gè)低溫指標(biāo)中，以最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖規(guī)律最為明顯.同一面層位置隨著路況的變差，最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖逐漸減小.以瀝青上面層AC-13為例，最大彎拉應(yīng)變：2 310×10-6(路況優(yōu))>2 195×10-6(路況中)>1 255×10-6(路況差)，其他層位規(guī)律相同.最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖為低溫破壞時(shí)試件的最大彎拉變形，εB變?cè)酱螅瑒t抗低溫開(kāi)裂性能越好.在抗彎拉強(qiáng)度RB和破壞彎曲勁度模量SB方面，其規(guī)律雖然沒(méi)有最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖那么明顯，但仍然可以看出其趨勢(shì)；不同層位路況較優(yōu)的試件，基本表現(xiàn)出較大的抗彎拉強(qiáng)度RB和較小的破壞彎曲勁度模量SB.小梁試件較大的抗彎拉強(qiáng)度RB和較小的破壞彎曲勁度模量SB也均表征了較好的低溫抗裂性能.綜上所述，對(duì)比路況不同路段，路況較好的路段表現(xiàn)出比路況較差路段更好的低溫抗裂性能.可以得出，低溫收縮應(yīng)力是寒區(qū)Top-Down裂縫產(chǎn)生的原因之一.

2.4 綜合分析

路況較差處抽提出的瀝青老化程度較高，同時(shí)路況較差處混合料低溫疲勞性能、低溫性能均較差.換言之，較差的路況是因?yàn)閷?duì)應(yīng)上述指標(biāo)不良引起的.路面使用過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，瀝青不斷老化，路面在溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力的重復(fù)作用下不斷疲勞，加之寒區(qū)路面的低溫收縮，路面強(qiáng)度不斷下降，最終路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度下降后的結(jié)構(gòu)抗力，出現(xiàn)Top-Down裂縫.

3 結(jié) 論

1) 同一面層位置的瀝青隨路況的變差，針入度逐漸減小、軟化點(diǎn)逐漸升高、延度逐漸下降，瀝青逐漸老化，說(shuō)明瀝青結(jié)合料的老化是寒區(qū)Top-Down裂縫產(chǎn)生的原因.

2) 同一面層位置隨著路況的變差，對(duì)應(yīng)試件載荷損失率逐漸增大，抗疲勞能力逐漸變差.說(shuō)明低溫疲勞應(yīng)力是寒區(qū)Top-Down裂縫產(chǎn)生的原因.

3) 同一面層位置隨著路況的變差，最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖逐漸減小；在抗彎拉強(qiáng)度RB和破壞彎曲勁度模量SB方面，不同層位路況較優(yōu)的試件，均表現(xiàn)出與同一層位路況較差試件相比較大的抗彎拉強(qiáng)度RB和較小的破壞彎曲勁度模量SB；同一面層位置隨著路況的變差，低溫抗裂能力逐漸下降，說(shuō)明低溫收縮應(yīng)力是寒區(qū)Top-Down裂縫產(chǎn)生的原因之一.

4) 瀝青結(jié)合料老化和混合料低溫疲勞、低溫收縮均為寒區(qū)Top-Down裂縫產(chǎn)生的原因.

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