高速公路路面取芯試驗及病害探析

明 亮

(安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230000)

1 試驗目的、方案

1.1 試驗目的

高速公路路面取芯試驗屬于本文研究的核心，試驗以研究對象路段路面上面層芯樣為對象，分別開展面層試驗與基層試驗，以此明確告訴公路路面裂縫病害的成因。

1.2 試驗方法

從混合料層面考慮，可能造成告訴公路路面裂縫的原因包括瀝青材料配合比不合理、瀝青混合料集料級配不佳、瀝青混合材料過細、基層或路基結(jié)構(gòu)強度不足、瀝青過度老化，因此研究確定了混合料性能試驗、瀝青老化性能檢測、基層芯樣抗壓強度試驗三方面內(nèi)容。

2 瀝青混凝料性能試驗

為明確瀝青混凝料性能，研究開展了瀝青混合料礦料級配試驗、瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗、瀝青混合料動態(tài)模量試驗。

2.1 瀝青混合料礦料級配試驗

考慮到裂縫類病害屬于本文研究高速公路路段的主要病害類型，且高速公路路面裂縫病害可細分為表層疲勞裂縫和基層反射裂縫兩類，因此試驗前首先進行了裂縫類病害斷面的取芯，并結(jié)合取芯開展了針對性試驗，試驗圍繞疲勞橫縫的上面層、中面層、下面層展開，分別進行了AC-13C、AC-20C、AC-25抽提級配試驗。試驗結(jié)果表明，表層橫向疲勞裂縫處的各層級配基本滿足規(guī)范要求，但總體存在細集料偏多問題，這一問題在上中面層級配中的表現(xiàn)較為明顯，這就使得細集料比表面積加大因此大幅增加，更多的瀝青用于裹覆細集料，密級配混合料細集料的影響可見一斑。在行車荷載、溫度的影響下，瀝青的老化速度出現(xiàn)了一定加快。受老化因素影響，瀝青混合料的瀝青粘結(jié)力不斷減弱、延度也因此不斷下降，表層開始的細小裂縫因此得以出現(xiàn)。同時圍繞疲勞縱縫上面層、中面層、下面層分別開展AC-13C、AC-20C、AC-25抽提級配試驗，對比縱向疲勞裂縫處級配可以發(fā)現(xiàn)，其級配曲線與橫向疲勞裂縫類似，上述分析由此得到了佐證。

2.2 瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗

為反映瀝青混合料的低溫性能，研究采用了低溫小梁彎曲試驗，該試驗圍繞-10 ℃情況下的混合料加載展開，表1為該試驗的結(jié)果，現(xiàn)場取芯范圍為K116+80～K116+700下行。結(jié)合表1不難發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的破壞應變未能滿足規(guī)范要求，這種情況的出現(xiàn)表明瀝青混合料的低溫抗裂性能大幅衰減并逐漸無法滿足高速公路運行需要。

表1 低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

2.3 瀝青混合料動態(tài)模量試驗

瀝青混合料動態(tài)模量試驗的開展是為了評價高速公路瀝青混合料高溫抗車轍性能，因此研究采用了SPT性能試驗儀，為保證試驗的針對性和結(jié)果應用價值，應變范圍在試驗過程中控制在85 με～115 με區(qū)間，比較試驗結(jié)果中動態(tài)模量值在各溫度條件下的變化，可得出路面取芯與室內(nèi)成型試樣對比試驗結(jié)果。

結(jié)合圖1進行分析，相較于AC-13混合料，試驗室內(nèi)混合料在5 ℃、25 ℃、55 ℃情況下的動態(tài)模量較為優(yōu)秀，這種情況的出現(xiàn)是由于研究對象高速公路路段路面在經(jīng)過一段時間使用后，輕質(zhì)芳香分揮發(fā)、膠質(zhì)老化成瀝青，老化變硬現(xiàn)象的一定程度出現(xiàn)使得瀝青混合料與新料在動態(tài)模量上存在較大差距。

圖1 路面取芯與室內(nèi)成型試樣對比試驗結(jié)果

3 瀝青老化性能檢測試驗

為明確瀝青老化程度，試驗用芯樣取自主車道，由此圍繞瀝青膠結(jié)料開展了針對性試驗，主要包括回收瀝青三大指標試驗、回收瀝青四組分試驗。

3.1 回收瀝青三大指標試驗

瀝青老化程度的評價多采用回收瀝青的三大指標確定，因此本文研究重點開展了回收瀝青的三大指標試驗，回收瀝青的針入度、軟化點、延度分別用于評價其感溫性能、高溫性能以及低溫性能。通過收集資料，研究獲得了交通組成相似、通車年限相近的高速公路路面回收瀝青三大指標數(shù)據(jù)。本文研究高速公路路段回收瀝青的針入度(25 ℃)、軟化點、延度(5 ℃)分別為18、68.5、3，收集資料同類高速公路路面回收瀝青的針入度(25 ℃)、軟化點、延度(5 ℃)分別為20、66.0、5，具體對比如圖2所示。結(jié)合回收瀝青三大指標試驗不難發(fā)現(xiàn)，研究對象高速公路路段瀝青材料的延度、針入度均已經(jīng)無法滿足規(guī)范要求，而相較于同類工程，其瀝青老化程度更高、低溫抗裂性能衰減更為嚴重，這種情況的出現(xiàn)與自然環(huán)境、重交通荷載存在較為緊密聯(lián)系。

圖2 回收瀝青三大指標對比

3.2 回收瀝青四組分試驗

為明確回收瀝青成分，研究基于回收瀝青開展了四組分試驗，由此可確定回收瀝青的瀝青質(zhì)、芳香分、膠質(zhì)、飽和分的占比分別為42.6%、27.9%、14.9%、29.9%，參考值分別為20.0%、40.0%、25.0%、10.0%，圖3直觀展示了回收瀝青四組分試驗結(jié)果。

圖3 回收瀝青四組分試驗結(jié)果對比

結(jié)合圖3不難發(fā)現(xiàn)，受長時間的老化影響，研究對象高速公路路段回收瀝青的瀝青質(zhì)和飽和分含量實現(xiàn)了成倍增長，而芳香分和膠質(zhì)含量則出現(xiàn)了明顯降低，這種變化便屬于瀝青老化的典型表現(xiàn)，瀝青的抗疲勞性能和低溫抗裂性能必然會因此出現(xiàn)大幅下降。

基層芯樣抗壓強度試驗及總結(jié)

4.1 基層芯樣抗壓強度試驗

開展基層芯樣抗壓強度試驗，可得出表2所示的試驗結(jié)果，結(jié)合表2所示的水穩(wěn)基層抗壓強度數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，從研究對象高速公路路段現(xiàn)場取出的完整芯樣在基層強度方面的表現(xiàn)較為出色，因此路段尚能滿足高速公路的正常運行需要。

表2 基層芯樣抗壓強度試驗結(jié)果

4.2 試驗總結(jié)

結(jié)合上述試驗結(jié)果分析，可得出以下試驗結(jié)論：(1)結(jié)論一。結(jié)合疲勞裂縫處的面層抽提試驗，可發(fā)現(xiàn)該處存在細集料偏多、級配相對偏細不足，瀝青老化速度因此大幅提升，最終引發(fā)了表層的細小裂縫。(2)結(jié)論二。結(jié)合動態(tài)模量試驗，可確定瀝青原材料在長時間使用后出現(xiàn)了一定程度的老化變硬，其動態(tài)模量因此受到了較為負面影響。(3)結(jié)論三。結(jié)合低溫小梁彎曲試驗，可確定高速公路路面瀝青混合料低溫抗裂性能出現(xiàn)了大幅下降。(4)結(jié)論四。結(jié)合三大指標試驗，可確定高速公路路面面層瀝青材料出現(xiàn)了較為嚴重的老化，其延度和針入度無法滿足使用需求。(5)結(jié)論五。結(jié)合四組分試驗，可確定瀝青材料的抗疲勞性能和低溫抗裂性能出現(xiàn)了顯著下降，老化程度較為嚴重。(6)結(jié)論六。完整芯樣基層強度可滿足正常使用需求。

5 結(jié) 論

綜上所述，高速公路路面取芯試驗的開展能夠較好為病害的明確及處理提供支持，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的礦料級配試驗、低溫小梁彎曲試驗、動態(tài)模量試驗、三大指標試驗、四組分試驗、抗壓強度試驗等內(nèi)容，則提供了可行性較高的路面取芯試驗開展路徑，而為了更好處理高速公路路面病害，基于實際的試驗方法選擇必須得到重視。