SCB试验表征沥青路面抗开裂性能的适用性探究

2022-01-08封雅宏袁博余昕洁唐小亮周振亚

中国公路 2021年21期

封雅宏袁博余昕洁唐小亮周振亚

（1.石家庄市交建高速公路建设管理有限公司，河北石家庄 050000；2.中路高科（北京）公路技术有限公司北京 100088；3.河北科技大学，河北石家庄 050000）

一、引言

疲劳开裂是柔性路面的一种主要断裂破坏模式，是由长期反复的交通荷载引起的。疲劳开裂的发生取决于路面的结构承载力、施工质量、沥青混合料的抗开裂性能等。对于沥青混合料材料，可以通过一些室内断裂试验来评估沥青混合料的抗开裂强度。例如，小梁四点弯曲疲劳试验、间接拉伸强度试验和半圆弯曲试验等。而传统的小梁四点弯曲疲劳试验测量的是达到一定损伤累积水平的荷载重复次数或小梁试件耗散能。近年来，半圆弯曲试验 (Semi-Circular Bending Test，简称“SCB试验”)因其相对简单的试验流程和较为准确的指标评价而受到许多研究人员的大力研究。

美国路易斯安那州交通研究中心（LTRC）的研究人员将SCB试验装置作为表征沥青混合料抗开裂性能的试验方法，测定了13种路面沥青混合料的临界应变能，试验结果认为SCB试验可以作为评价沥青混合料抗开裂性能的工具。为解决疲劳弯曲试验结果与实际开裂程度相关性较低的问题，哈尔滨工业大学冯德成等人引入了SCB试验研究混合料低温断裂性能，试验结果表明SCB试验能真实反映沥青路面的低温开裂状况，并提出了采用SCB试验的断裂能作为评价沥青混合料低温性能的关键指标。

本文通过分析热拌沥青混合料（HMA）的SCB试验实测Jc值与沥青路面现场性能的关系，评价SCB试验方法预测沥青路面疲劳开裂性能的有效性和适用性。选取9条旧沥青路面作为实验对象，采用其生产配合比制备混合料并进行SCB试验得到Jc值。并与现场检测的裂缝数据进行了回归分析以评估SCB试验与现场抗裂性能之间的关系。

二、试验方案

（一）半圆弯曲试验方案

SCB试验根据临界应变能或断裂能Jc来表征沥青混合料的抗断裂性能。Jc是每个切口深度的应变能变化率（dU/da）的函数，如公式（1）所示，表示在混合料中形成单位面积的断裂面时消耗的应变能。因此，Jc值越高，说明材料抗开裂性和抗裂纹扩展的能力越强。

图1 SCB试验的荷载-变形曲线

为了确定Jc值，本文测试了三种不同切口深度的试样，SCB试验选用的三个切口深度分别为25.4mm、31.8mm及38.0mm。基于“a/rd”的比值（缺口深度与试样半径的比率），其理想范围为0.5到0.75。试验过程为，将SCB试件放置在MTS仪器以0.5mm/min的恒定速率加载，直至试件发生断裂破坏。在试验过程中连续记录载荷和变形数据，并用于生成一系列载荷-变形曲线，如图1所示，并采用公式（1）计算得出Jc的临界值。

式中，Jc代表临界应变能（kJ/m2）；

b代表试件厚度（m）；

a代表切口深度（m）；

U代表破坏应变能（kJ）

图1中有三条曲线，分别代表具有三个不同切口深度试样的破坏应变能U。然后将U值绘制在对应切口深度的曲线上，以计算线性回归线的斜率，即方程式（1）中的dU/da。然后用dU/da除以试样的宽度b，计算断裂抗力的临界值Jc。

（二）现场裂缝检测方案

本文采用自动道路分析仪（ARAN）和LADOTD路面破损数据采集系统，每两年对路表进行一次检测。ARAN系统分别收集了四种类型的裂缝模式，即“横向”“纵向”“龟裂”和“随机”裂缝，将严重程度分别为低、中、高三档。本文中没有考虑纵向和随机裂纹模式，因为这些损伤可能与HMA疲劳抗力没有密切关系，仅考虑“横向裂缝”和“龟裂”两种裂纹类型。

在ARAN系统中，横向裂缝以dm/0.1km为单位进行检测报告，龟裂以dm2/0.1km为单位进行检测报告。因此，每个项目都由不同数量的单元段组成，每个单独节段包含低、中、高等程度的横向开裂计数和龟裂数量。ARAN系统中横向(TC)或龟裂(AC)平均裂缝数的计算公式为：

式中，C平均代表横向(TC)或龟裂(AC)的平均裂缝数；

C低、C中、C高代表裂纹的严重程度分为低、中、高；

n代表现场检测中检测段的数量。

在计算横向裂缝和龟裂的平均裂缝数时，没有考虑不同裂缝严重程度的权重因素。为了将具有不同单位的横向裂缝和龟裂合并为一个单一的复合裂缝指数（Ccomp），需要将龟裂面积单位通过取平方根转换为相同的描述尺度。如公式（3）所示。

复合开裂指数仅表示现场开裂性能的简单指标，不考虑裂缝严重程度、总路面结构、气候条件和施加的交通荷载。

表1 现场开裂检测数据

图2 SCB试验所测得的九种沥青混合料的临界应变能

三、试验结果与分析

9种路面裂缝调研结果如表1所示。SCB试验所测得的9种沥青混合料的临界应变能Jc值如图2所示。

9种沥青混合料的临界应变能Jc值在0.74kJ/m2～1.57kJ/m2之间，平均值为1.05kJ/m2，中位数为0.96kJ/m2。L-5路段的磨耗层沥青混合料的Jc值最高，而L-1路段的磨耗层沥青混合料的Jc值最低。因此，仅根据测得的Jc值，可推测L-5路段的现场开裂性能将优于L-1路段。同样，根据SCB试验结果，预计L-8路面比L-2、L-7或L-9路面具有更好的抗裂性。

现场裂缝统计数量和临界应变能Jc之间的对应关系，如表2所示。在比较沥青混合料Jc值和路面抗裂性时，应考虑到其他影响因素，如路面结构、气候环境和交通荷载等，以便更准确地进行比较。如图3所示，复合裂缝指数通过施加的等效单轴荷载（ESAL）进行归一化，以便使用每百万ESAL为单位表示路面的开裂性能。由于这9个路段均位于一座城市中，因此没有考虑气候影响。

表2 路面开裂率与Jc值之间的关系

图3 路面开裂率与Jc之间的关系

从表2可以看出，L-5路段的Jc值最高，且路表开裂程度最小。此外，L-5路段每百万ESALs对应的开裂率明显低于其他8条路段。L-8路段在裂缝数量和裂缝率方面排名第二。而Jc值最低的L-1路段的裂缝数和裂缝率则明显高于两种性能最好的路面。尽管如此，与其他路面相比，L-1路段的抗开裂性能仍然较好。而Jc值排名第8的L-2路段，其路面开裂性能在9个路段中是最差的。

路面裂缝率和Jc值之间的相关性如图3所示，并对二者之间的相关性进行了拟合。随着Jc值的增加，回归曲线呈下降趋势，这说明随着沥青混合料抗开裂强度的提高，路面开裂率呈降低趋势。回归方程的相关系数R2=0.58。试验结果表明，可采用SCB试验方法在现场评价沥青路面的疲劳开裂性能。