寒区道路Top-Down裂缝成因分析*

肖 卓 黄 勇 李 展 李邵辉 王泳丹 王 春

(长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室1) 西安 710064)(中国水利水电第七工程局有限公司2) 成都 610081)

0 引 言

路面开裂是沥青混凝土路面的最主要的病害类型之一.裂缝作为早期病害，出现之后会在裂缝附近区域产生应力集中，进而使裂缝不断扩展，甚至诱发其他路面病害.与基层反射裂缝从下往上开裂的裂缝形式相对，还有一种从上往下开裂的裂缝形式——Top-Down裂缝.老化后的沥青路面抗疲劳性能变差，在荷载应力和温度应力的双重作用下，更易发生从路面表层向下扩展的疲劳开裂，也就是Top-Down裂缝.以往文献表明，影响 Top-Down 裂缝开裂的因素主要有荷载应力、温度应力、沥青结合料老化程度、施工质量等[1-6].在气候严寒地区，冬季面层将承受较大的温缩应力，低温收缩也会造成路面裂缝的产生.

以往对Top-Down裂缝的研究多通过ABAQUS软件建模、有限元建模、ANSYS 软件数值模拟、室内成型试件进行试验等方法进行[7-10].建模和数值模拟的方法可以对荷载应力分布、温度场的影响和裂缝的扩展情况等进行模拟，但路用条件极其复杂多变，难以将所有影响因素考虑其中；室内成型试件进行试验又受到成型条件和试验条件的影响.鉴于此，本文从Top-Down裂缝病害发生路段区分路况(优、中、差)进行芯样和路面板的取用，用现场钻取得到的芯样和路面板分层(上、中、下面层)切割试件进行试验.从现场路面钻取的芯样和路面板最能代表路面实际性能，通过优、中、差路况试验指标优劣的对比，以不同路况下不同试验指标的差异作为Top-Down裂缝影响因素的重要表征，进行寒区Top-Down裂缝成因分析.

1 试验方案及试件制备

1.1 取样路段概况

某高速公路2013年底建成通车，路面结构从上至下为：4cm AC-13(5%SBS)改性沥青混凝土、5 cm AC-16(5%SBS)改性沥青混凝土、7cm AC-25(90#基质)普通沥青混凝土、20 cm水泥稳定碎石基层、32 cm水泥稳定碎石底基层.调研发现，某标段部分路段裂缝较严重，多条重度横向裂缝及多处局部网状裂缝.根据全厚度骑缝路面芯样，路面裂缝仅存在于路表表面层和中面层，并有向路面下层进一步开裂趋势，路面基层水泥稳定碎石尚完好，没有开裂，因此，判断路面裂缝为Top-Down裂缝.

1.2 试验方案

芯样及路面板取样地区处于Ⅱ3区，为季冻区，冬季寒冷，最低月平均气温为-20 ℃，年最高气温不到30 ℃，沥青路面面层将承受较大低温收缩应力；结合料的老化，使其胶结能力下降，沥青指标上表现为针入度降低、软化点升高、延度下降；无论车辆对路面的荷载应力、环境作用产生的温度应力，都和混合料的疲劳性能紧密相连.综合考虑以上因素，作者对好、中、差三种路况芯样和路面板分层(上、中、下面层)切割的试件进行沥青抽提后三大指标试验(沥青老化)、OT试验(低温疲劳性能)及小梁弯曲试验(低温抗裂性能)，以对寒区Top-Down裂缝成因进行分析.

1.3 试件的制备

1.3.1现场取样方案

首先对该标段进行全线路况调研(包括上行、下行两个方向)，根据路况“优、中、差”选取上行方向三个代表路段，分别在三个代表路段钻芯、切割路面板，每种路况“芯样不少于八个、路面板不少于两块”.

路况较差路段，进行全厚度150 mm孔径、骑缝钻芯三个，并分别在超车道钻取完整芯样两个，硬路肩钻取完整芯样六个，硬路肩路面板切割两块；其它路况路段芯样、路面板选取位置均为硬路肩.路面芯样及路面板切割桩号位置见表1～2.

表1 路段选取、取芯桩号(芯样直径150 mm)

注：骑缝钻芯为(面层+基层)全厚度取芯(16+20 cm)，其他均为面层取芯(16 cm).

表2 路面板切割桩号(切取板体尺寸300 mm×400 mm×160 mm)

1.3.2试件的制备

室内分层(上、中、下面层)切割上述钻取的路面板和芯样，进行试件的制备，对应试验的切割工艺和试件尺寸见表3.

表3 对应试验的切割工艺和试件尺寸

2 试验过程及结果

2.1 沥青抽提及三大指标试验

利用三氯乙烯对沥青的极强溶解性，将沥青从沥青混合料中溶解分离出来，再利用离心设备、蒸馏设备等将沥青回收，对所得沥青进行各项相关试验并观察其指标情况，以评价施工阶段或者路面使用阶段的沥青老化问题.

沥青路面与外部环境直接接触，在自然因素(光、热、氧和水)的作用下， 随着时间的推移沥青的胶体结构、物理化学性质发生变化且这种变化不可逆，最终导致沥青硬化变脆丧失原有的流变性、柔韧性和粘附性，通常在三大指标上表现为，针入度下降，软化点升高、延度减小.

分别对三种路况(优、中、差)路面芯样分层(上、中、下面层)进行沥青抽提试验，对抽提沥青进行针入度、软化点、延度试验，记录试验结果，分析其老化情况.三种路况(优、中、差)路面芯样上、中、下面层抽提沥青的三大指标平均值数据见图1.

图1 三大指标试验结果

由图1可知，同一面层位置随着路况的变差，沥青的针入度均逐渐减小，软化点均逐渐增大，延度均逐渐减小，沥青的老化程度逐渐增大；路况差的路段对应沥青老化严重，且均不符合对应结合料老化后的针入度和延度标准.可以得出，结合料的老化是寒区Top-Down裂缝产生的原因之一.

2.2 OT试验

OT(Overlay Tester)为一种综合测试装置，可用于测试沥青混合料低温疲劳性能.其含有两块钢板，一个是固定的，另一个可以水平方向移动，可以模拟车轮荷载不断产生的拉伸—压缩反复疲劳作用和温度的疲劳作用在路面结构内产生的重复拉应力.

区分路况(优、中、差)和层位(上、中、下面层)切割路面芯样成图2试件要求尺寸.其中，试验温度为25 ℃.OT试验终止条件为：加载次数达到1 200次时的荷载损失率，或荷载损失率达到93%时的终止循环次数.

图2 OT试验试件尺寸示意图(单位：mm)

三种路况(优、中、差)路面芯样上、中、下面层试件循环加载次数到达1 200次时对应的荷载损失率的平均值见表4.

表4 OT试验结果(当前载荷损失) %

由表4可知，载荷运行次数达到1 200次时，同一面层位置随着路况的变差，对应试件载荷损失率逐渐增大.以沥青路面上面层AC-13为例说明情况：路况较优路段，载荷次数达到1 200次后，其载荷损失率较少，为62.78%，说明路况较好路段AC-13具有较好抗疲劳开裂能力；而路况较差路段，达到1 200次载荷作用次数后，载荷损失率较大，为86.42%，说明该路段AC-13沥青混凝土抗疲劳开裂能力较差.不同路况的中、下面层规律与上面层一致.可以得出，疲劳应力是寒区Top-Down裂缝产生的原因之一.

2.3 小梁弯曲试验

为测试沥青面层材料低温抗弯拉性能，进行小梁弯曲试验测试小梁试件的最大载荷PB及跨中挠度d，并根据试件尺寸计算该层沥青混凝土低温抗弯拉强度RB、破坏时的梁底最大弯拉应变εB及破坏弯曲劲度模量SB.

由文献[11]可知，区分路况(优、中、差)和层位(上、中、下面层)切割路面板成试件尺寸300 mm×40 mm×40 mm的试件，试验温度-10 ℃，加载速率50 mm/min，跨径200 mm，上压头居中加载.三种路况(优、中、差)路面上、中、下面层低温小梁试验各项指标的平均值见图3.

图3 小梁弯曲试验结果

由图3可知，不同层位不同路况的低温小梁试验的三个低温指标中，以最大弯拉应变εB规律最为明显.同一面层位置随着路况的变差，最大弯拉应变εB逐渐减小.以沥青上面层AC-13为例，最大弯拉应变：2 310×10-6(路况优)>2 195×10-6(路况中)>1 255×10-6(路况差)，其他层位规律相同.最大弯拉应变εB为低温破坏时试件的最大弯拉变形，εB变越大，则抗低温开裂性能越好.在抗弯拉强度RB和破坏弯曲劲度模量SB方面，其规律虽然没有最大弯拉应变εB那么明显，但仍然可以看出其趋势；不同层位路况较优的试件，基本表现出较大的抗弯拉强度RB和较小的破坏弯曲劲度模量SB.小梁试件较大的抗弯拉强度RB和较小的破坏弯曲劲度模量SB也均表征了较好的低温抗裂性能.综上所述，对比路况不同路段，路况较好的路段表现出比路况较差路段更好的低温抗裂性能.可以得出，低温收缩应力是寒区Top-Down裂缝产生的原因之一.

2.4 综合分析

路况较差处抽提出的沥青老化程度较高，同时路况较差处混合料低温疲劳性能、低温性能均较差.换言之，较差的路况是因为对应上述指标不良引起的.路面使用过程中，随着时间的推移，沥青不断老化，路面在温度应力和荷载应力的重复作用下不断疲劳，加之寒区路面的低温收缩，路面强度不断下降，最终路面内产生的应力超过强度下降后的结构抗力，出现Top-Down裂缝.

3 结 论

1) 同一面层位置的沥青随路况的变差，针入度逐渐减小、软化点逐渐升高、延度逐渐下降，沥青逐渐老化，说明沥青结合料的老化是寒区Top-Down裂缝产生的原因.

2) 同一面层位置随着路况的变差，对应试件载荷损失率逐渐增大，抗疲劳能力逐渐变差.说明低温疲劳应力是寒区Top-Down裂缝产生的原因.

3) 同一面层位置随着路况的变差，最大弯拉应变εB逐渐减小；在抗弯拉强度RB和破坏弯曲劲度模量SB方面，不同层位路况较优的试件，均表现出与同一层位路况较差试件相比较大的抗弯拉强度RB和较小的破坏弯曲劲度模量SB；同一面层位置随着路况的变差，低温抗裂能力逐渐下降，说明低温收缩应力是寒区Top-Down裂缝产生的原因之一.

4) 沥青结合料老化和混合料低温疲劳、低温收缩均为寒区Top-Down裂缝产生的原因.

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