施工微裂縫對(duì)瀝青路面性能的影響

孫建勛

(中交第四公路工程局有限公司，北京 101101)

0 引 言

瀝青路面病害導(dǎo)致道路養(yǎng)護(hù)成本增加，其中路面裂縫是關(guān)鍵問題之一。瀝青路面壓實(shí)度是影響路面裂縫的重要因素，若壓實(shí)度不足，雨水滲入會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞[1]；同時(shí)瀝青混凝土隨溫度熱脹冷縮產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力也會(huì)引起瀝青路面的疲勞裂縫，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)病害[2]。

目前，各國(guó)研究學(xué)者已對(duì)瀝青路面裂縫產(chǎn)生的原因及處治措施進(jìn)行了大量的研究：盧天翔等調(diào)查了國(guó)省道典型路段瀝青路面裂縫的分布狀況，提出以分布密度表征路面裂縫的評(píng)價(jià)方法[3]；田莉等總結(jié)了美國(guó)瀝青路面裂縫處治方法，為國(guó)內(nèi)瀝青路面裂縫的處治提供了參考[4]；劉立斌等基于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施提出了重載干線公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案，為干線公路養(yǎng)護(hù)提供了技術(shù)支持[5]；李盛等研究了瀝青路面荷載疲勞開裂機(jī)理，為剛?cè)釓?fù)合式路面設(shè)計(jì)提供了參考[6]；牛力強(qiáng)通過瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)分析，得出溫度疲勞作用是造成瀝青路面自上而下開裂的主要原因[7]；欒利強(qiáng)分析了裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律[8]。然而，在路面施工過程中，鋼輪壓路機(jī)產(chǎn)生的水平應(yīng)力引起瀝青面層產(chǎn)生細(xì)微裂縫亦是導(dǎo)致路面抗疲勞性能加速惡化的關(guān)鍵因素[9-12]。

因此，本文基于直接拉伸試驗(yàn)方法，在同一路段施工現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽樣切割瀝青混凝土板塊試件，明確試件制備工序及試驗(yàn)測(cè)試方案，研究不同條件下施工微裂縫對(duì)瀝青路面性能的影響，從而進(jìn)一步明確瀝青路面早期開裂的影響，為瀝青路面提高抗疲勞性能措施的完善提供依據(jù)。

1 材料級(jí)配與現(xiàn)場(chǎng)試件制備

1.1 材料級(jí)配

不同級(jí)配類型的瀝青混合料表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì)，目前公路路面上面層常采用的密級(jí)配細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13具有較好的路用性能，故本文選取AC-13級(jí)配作為瀝青混凝土試件級(jí)配類型，如表1所示。最佳瀝青用量為4.9%。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試件制備

為研究施工微裂縫對(duì)瀝青路面性能的影響，保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本文試驗(yàn)試件取自新建瀝青路面同一路段施工現(xiàn)場(chǎng)，施工機(jī)具碾壓成型，壓實(shí)度等施工指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)要求，隨機(jī)抽樣選取路面區(qū)域，分別劃線標(biāo)記，并使用瀝青路面切割機(jī)切割成瀝青混凝土板塊試件。切割以先大后小的工序進(jìn)行，且取壓路機(jī)碾壓方向?yàn)榘鍓K試件長(zhǎng)度方向，試件最終切割尺寸為30 cm×10 cm×6 cm。試件制備完成后整齊置于鋪有海綿墊層的木箱中，以防止運(yùn)輸過程中裂縫傳播擴(kuò)大。

表1 AC-13瀝青混合料級(jí)配

2 試驗(yàn)方案的確定

瀝青路面施工階段產(chǎn)生的微裂縫對(duì)瀝青路面的影響主要體現(xiàn)在降低抗拉強(qiáng)度方面。目前測(cè)試瀝青混凝土抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)方法主要有劈裂試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和直接拉伸試驗(yàn)等，但由于瀝青混凝土應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，前兩類方法無法真實(shí)評(píng)測(cè)不同條件下瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度，而直接拉伸試驗(yàn)過程中試件的應(yīng)力狀態(tài)更接近瀝青混凝土真實(shí)的受拉狀態(tài)，且其擴(kuò)展的受拉裂縫是試件產(chǎn)生非彈性應(yīng)變最為直接的原因[13]。因此，本文采用直接拉伸試驗(yàn)作為研究施工過程產(chǎn)生的細(xì)微裂縫對(duì)瀝青路面抗拉性能影響的試驗(yàn)方法。

試件制備、運(yùn)輸、存儲(chǔ)及室內(nèi)試驗(yàn)等工序?qū)υ囼?yàn)結(jié)果有重要影響，試件進(jìn)入室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室后，根據(jù)直接拉伸試驗(yàn)的要求，使用酒精清潔其表面。試件黏合面除中間50 mm留白外，其余部分涂刷環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑黏合對(duì)應(yīng)尺寸的鋼板。重壓靜置24 h后，在試驗(yàn)控制溫度下將試件置于帶有數(shù)據(jù)采集儀的線性可移動(dòng)式拉力測(cè)試系統(tǒng)中，試件中心與工作臺(tái)中心接頭對(duì)應(yīng)，保證試件軸向受拉。基于試驗(yàn)效率考慮，夾持試件金屬板的工作臺(tái)借助導(dǎo)軌以50 mm·min-1的恒定速率移動(dòng)，數(shù)據(jù)采集儀記錄工作臺(tái)的水平位移和受拉應(yīng)力。

由于瀝青混凝土具有溫度敏感特性，因此施工后期溫度亦是研究施工微裂縫影響瀝青路面性能的關(guān)鍵指標(biāo)。通常瀝青混凝土疲勞破壞主要集中發(fā)生于13 ℃～15 ℃，且現(xiàn)行規(guī)范取15 ℃作為容許彎拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值溫度[14]，考慮瀝青路面實(shí)際施工溫度，本文選取10 ℃、15 ℃、20 ℃和25 ℃四組試驗(yàn)溫度研究施工過程瀝青混凝土微裂縫對(duì)瀝青路面抗拉強(qiáng)度的影響。

3 施工微裂縫對(duì)瀝青路面性能的影響

本文對(duì)不同試驗(yàn)溫度和不同碾壓面放置方向的AC-13級(jí)配瀝青混凝土試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，試驗(yàn)測(cè)試前將各試件置于設(shè)定溫度的控溫箱中保持24 h，為避免水對(duì)微裂縫產(chǎn)生影響，禁止采用恒溫水浴加熱方式。施加水平單向力，使試件有且僅有一條主裂縫產(chǎn)生。在10 ℃、15 ℃、20 ℃和25 ℃四組試驗(yàn)溫度條件下重復(fù)測(cè)試，溫度每個(gè)碾壓面放置方向至少進(jìn)行4組試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。不同條件下瀝青試件抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1～4所示，不同條件下瀝青試件抗拉強(qiáng)度均值如圖5所示。

圖1 10 ℃瀝青混凝土試件的抗拉強(qiáng)度

圖2 15 ℃瀝青混凝土試件的抗拉強(qiáng)度

圖3 20 ℃瀝青混凝土試件的抗拉強(qiáng)度

圖4 25 ℃瀝青混凝土試件的抗拉強(qiáng)度

圖5 不同條件瀝青混凝土試件的抗拉強(qiáng)度

由圖1和圖4可知，這2組試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離抗拉強(qiáng)度均值。分析原因?yàn)椋涸嚰舆\(yùn)輸過程中受到外界嚴(yán)重干擾，引起試件微裂縫延伸，導(dǎo)致瀝青混凝土試件抗拉強(qiáng)度減小，因此可忽略這2組數(shù)據(jù)；而其他各組數(shù)據(jù)相對(duì)集中，其均值可視為最終試驗(yàn)結(jié)果。

由圖1～5可知，不同條件下瀝青試件表現(xiàn)出不同的受力等級(jí)，隨溫度升高，瀝青試件抗拉強(qiáng)度不斷降低，25 ℃溫度下不同碾壓面放置方向的室內(nèi)改進(jìn)的預(yù)留50 mm中部空白瀝青路面試件的抗拉強(qiáng)度較10 ℃下的抗拉強(qiáng)度分別降低了28%和39%。分析原因?yàn)?，瀝青路面碾壓過程中出現(xiàn)微裂縫，此微裂縫改變了瀝青路面原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度顯著降低，且瀝青混凝土隨溫度升高形態(tài)發(fā)生變化，微裂縫加速發(fā)展。

同時(shí)，相同溫度條件下，碾壓面向上的瀝青試件抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于碾壓面向下的瀝青試件抗拉強(qiáng)度，且兩者強(qiáng)度差值不斷增大，最大差值可達(dá)0.36 MPa。分析原因?yàn)椋雺好嫦蛏蠟r青混凝土試件表層微裂縫較底層更多，底層更加密實(shí)，因而其抗拉性能更優(yōu)。

本文明確了瀝青路面施工過程中出現(xiàn)的施工微裂縫將影響新建瀝青路面的抗拉性能，而現(xiàn)有瀝青路面壓實(shí)設(shè)備、施工條件和施工工藝是瀝青路面微裂縫產(chǎn)生的主要原因，且由于交通荷載和溫度的影響，瀝青路面施工微裂縫將迅速擴(kuò)展?？蓮臑r青混凝土級(jí)配類型、瀝青路面施工工藝和調(diào)整壓實(shí)機(jī)具等方面對(duì)瀝青路面施工微裂縫的影響進(jìn)行更加細(xì)致的研究，以減少施工微裂縫產(chǎn)生，保證瀝青路面的耐久性。

4 結(jié) 語

本文基于直接拉伸試驗(yàn)方法，明確了瀝青路面施工過程中出現(xiàn)的施工微裂縫對(duì)路面抗拉性能的影響，主要結(jié)論如下。

(1)將同一路段施工現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽樣選取的瀝青混凝土板塊，整齊置于鋪有海綿墊層的木箱中，能夠防止運(yùn)輸過程中微裂縫的傳播，且試件具有試驗(yàn)代表性。

(2)基于直接拉伸試驗(yàn)方法的個(gè)別瀝青混凝土試件因受到外界干擾，抗拉強(qiáng)度相對(duì)較小，而多數(shù)試件數(shù)據(jù)相對(duì)集中，試驗(yàn)結(jié)果可靠性較高。

(3)隨著溫度升高，瀝青試件抗拉強(qiáng)度不斷降低，且碾壓面向上的瀝青試件抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于碾壓面向下的瀝青試件，表明施工壓實(shí)過程中表層微裂縫多于底層微裂縫。

(4)未來可對(duì)瀝青路面施工微裂縫的影響進(jìn)行更加深入的研究，以提高路面使用性能，延長(zhǎng)壽命。