施工微裂缝对沥青路面性能的影响

2018-11-29孙建勋

筑路机械与施工机械化 2018年11期

孙建勋

(中交第四公路工程局有限公司，北京 101101)

0 引言

沥青路面病害导致道路养护成本增加，其中路面裂缝是关键问题之一。沥青路面压实度是影响路面裂缝的重要因素，若压实度不足，雨水渗入会导致路面结构破坏[1]；同时沥青混凝土随温度热胀冷缩产生的拉伸应力也会引起沥青路面的疲劳裂缝，导致路面结构病害[2]。

目前，各国研究学者已对沥青路面裂缝产生的原因及处治措施进行了大量的研究：卢天翔等调查了国省道典型路段沥青路面裂缝的分布状况，提出以分布密度表征路面裂缝的评价方法[3]；田莉等总结了美国沥青路面裂缝处治方法，为国内沥青路面裂缝的处治提供了参考[4]；刘立斌等基于预防性养护措施提出了重载干线公路沥青路面养护方案，为干线公路养护提供了技术支持[5]；李盛等研究了沥青路面荷载疲劳开裂机理，为刚柔复合式路面设计提供了参考[6]；牛力强通过沥青混合料低温弯曲试验分析，得出温度疲劳作用是造成沥青路面自上而下开裂的主要原因[7]；栾利强分析了裂缝尖端应力强度因子的变化规律[8]。然而，在路面施工过程中，钢轮压路机产生的水平应力引起沥青面层产生细微裂缝亦是导致路面抗疲劳性能加速恶化的关键因素[9-12]。

因此，本文基于直接拉伸试验方法，在同一路段施工现场随机抽样切割沥青混凝土板块试件，明确试件制备工序及试验测试方案，研究不同条件下施工微裂缝对沥青路面性能的影响，从而进一步明确沥青路面早期开裂的影响，为沥青路面提高抗疲劳性能措施的完善提供依据。

1 材料级配与现场试件制备

1.1 材料级配

不同级配类型的沥青混合料表现出不同的力学性质，目前公路路面上面层常采用的密级配细粒式沥青混凝土AC-13具有较好的路用性能，故本文选取AC-13级配作为沥青混凝土试件级配类型，如表1所示。最佳沥青用量为4.9%。

1.2 现场试件制备

为研究施工微裂缝对沥青路面性能的影响，保证试验结果的可靠性，本文试验试件取自新建沥青路面同一路段施工现场，施工机具碾压成型，压实度等施工指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)要求，随机抽样选取路面区域，分别划线标记，并使用沥青路面切割机切割成沥青混凝土板块试件。切割以先大后小的工序进行，且取压路机碾压方向为板块试件长度方向，试件最终切割尺寸为30 cm×10 cm×6 cm。试件制备完成后整齐置于铺有海绵垫层的木箱中，以防止运输过程中裂缝传播扩大。

表1 AC-13沥青混合料级配

2 试验方案的确定

沥青路面施工阶段产生的微裂缝对沥青路面的影响主要体现在降低抗拉强度方面。目前测试沥青混凝土抗拉强度的试验方法主要有劈裂试验、弯曲试验和直接拉伸试验等，但由于沥青混凝土应力状态复杂，前两类方法无法真实评测不同条件下沥青混凝土的抗拉强度，而直接拉伸试验过程中试件的应力状态更接近沥青混凝土真实的受拉状态，且其扩展的受拉裂缝是试件产生非弹性应变最为直接的原因[13]。因此，本文采用直接拉伸试验作为研究施工过程产生的细微裂缝对沥青路面抗拉性能影响的试验方法。

试件制备、运输、存储及室内试验等工序对试验结果有重要影响，试件进入室内实验室后，根据直接拉伸试验的要求，使用酒精清洁其表面。试件黏合面除中间50 mm留白外，其余部分涂刷环氧树脂黏结剂黏合对应尺寸的钢板。重压静置24 h后，在试验控制温度下将试件置于带有数据采集仪的线性可移动式拉力测试系统中，试件中心与工作台中心接头对应，保证试件轴向受拉。基于试验效率考虑，夹持试件金属板的工作台借助导轨以50 mm·min-1的恒定速率移动，数据采集仪记录工作台的水平位移和受拉应力。

由于沥青混凝土具有温度敏感特性，因此施工后期温度亦是研究施工微裂缝影响沥青路面性能的关键指标。通常沥青混凝土疲劳破坏主要集中发生于13 ℃～15 ℃，且现行规范取15 ℃作为容许弯拉应力标准值温度[14]，考虑沥青路面实际施工温度，本文选取10 ℃、15 ℃、20 ℃和25 ℃四组试验温度研究施工过程沥青混凝土微裂缝对沥青路面抗拉强度的影响。

3 施工微裂缝对沥青路面性能的影响

本文对不同试验温度和不同碾压面放置方向的AC-13级配沥青混凝土试件进行抗拉强度试验。为保证试验结果的可靠性，试验测试前将各试件置于设定温度的控温箱中保持24 h，为避免水对微裂缝产生影响，禁止采用恒温水浴加热方式。施加水平单向力，使试件有且仅有一条主裂缝产生。在10 ℃、15 ℃、20 ℃和25 ℃四组试验温度条件下重复测试，温度每个碾压面放置方向至少进行4组试验，以保证试验结果的可靠性。不同条件下沥青试件抗拉强度试验结果如图1～4所示，不同条件下沥青试件抗拉强度均值如图5所示。

图1 10 ℃沥青混凝土试件的抗拉强度

图2 15 ℃沥青混凝土试件的抗拉强度

图3 20 ℃沥青混凝土试件的抗拉强度

图4 25 ℃沥青混凝土试件的抗拉强度

图5 不同条件沥青混凝土试件的抗拉强度

由图1和图4可知，这2组试件试验数据偏离抗拉强度均值。分析原因为：试件取样运输过程中受到外界严重干扰，引起试件微裂缝延伸，导致沥青混凝土试件抗拉强度减小，因此可忽略这2组数据；而其他各组数据相对集中，其均值可视为最终试验结果。

由图1～5可知，不同条件下沥青试件表现出不同的受力等级，随温度升高，沥青试件抗拉强度不断降低，25 ℃温度下不同碾压面放置方向的室内改进的预留50 mm中部空白沥青路面试件的抗拉强度较10 ℃下的抗拉强度分别降低了28%和39%。分析原因为，沥青路面碾压过程中出现微裂缝，此微裂缝改变了沥青路面原有结构，导致沥青混凝土抗压强度显著降低，且沥青混凝土随温度升高形态发生变化，微裂缝加速发展。

同时，相同温度条件下，碾压面向上的沥青试件抗拉强度均优于碾压面向下的沥青试件抗拉强度，且两者强度差值不断增大，最大差值可达0.36 MPa。分析原因为，碾压面向上沥青混凝土试件表层微裂缝较底层更多，底层更加密实，因而其抗拉性能更优。

本文明确了沥青路面施工过程中出现的施工微裂缝将影响新建沥青路面的抗拉性能，而现有沥青路面压实设备、施工条件和施工工艺是沥青路面微裂缝产生的主要原因，且由于交通荷载和温度的影响，沥青路面施工微裂缝将迅速扩展。可从沥青混凝土级配类型、沥青路面施工工艺和调整压实机具等方面对沥青路面施工微裂缝的影响进行更加细致的研究，以减少施工微裂缝产生，保证沥青路面的耐久性。