朱默， 黃博， 李友云， 李懿

(1.湖南省蓮株高速公路建設開發(fā)有限公司， 湖南 株洲 412000；2.長沙理工大學， 湖南 長沙 410114)

目前，中國瀝青路面養(yǎng)護維修中主要考慮的是公路技術狀況，根據(jù)“壞路優(yōu)先”或在資金許可時的“即壞即修”原則進行決策，尚未將瀝青路面全壽命使用期內(nèi)的經(jīng)濟和技術效益作為養(yǎng)護決策分析依據(jù)，也未將環(huán)境負荷、交通影響程度等作為養(yǎng)護決策的效能評價指標，普遍存在養(yǎng)護決策方法簡單、養(yǎng)護資金不落實、科學化程度不高、養(yǎng)護工藝落后、養(yǎng)護機制不健全等問題，養(yǎng)護質(zhì)量得不到保障。該文通過創(chuàng)新養(yǎng)護維修理論，提出一種基于瀝青混合料疲勞損傷過程中細觀力學性能的預防性養(yǎng)護維修方法。

1 等效基體劈裂疲勞損傷性能試驗

1.1 配合比設計

分析集料最大公稱粒徑減小對瀝青混合料力學及疲勞損傷特性的影響。為獲取其彈性參數(shù)，以AC-13C配合比為依據(jù)，去除粒徑≥2.36 mm的集料，利用剩余各檔集料質(zhì)量比不變及集料總比表面積與瀝青用量比值不變的原則設計試件進行力學及疲勞損傷性能試驗。

根據(jù)基體材料中各檔集料的篩余百分率、基體油石比、瀝青和各檔集料的密度，計算得到各檔集料及瀝青的體積比；由試件的總體積得到各檔集料及瀝青的體積，由各檔集料及瀝青的密度得到各檔集料及瀝青的質(zhì)量。通過某級配合比設計，類比得到其他各級等效基體配合比設計方案(見表1)。

1.2 試驗方案

先進行AC-13C及其等效基體AC-9.5、AC-4.75、AC-2.36、AC-1.18劈裂強度試驗，測定劈裂強度，在此基礎上，以0.3的應力比用UTM試驗系統(tǒng)進行各試件不同損傷程度劈裂疲勞損傷試驗，并通過MTS-810測量不同損傷程度下AC-13C及其等效基體的劈裂回彈模量，分析上述材料的強度衰減規(guī)律與剛度退化規(guī)律，對比分析AC-13C與其等效基體疲勞損傷的區(qū)別。

為了解AC-13C及其等效基體在相同條件、不同加載次數(shù)下的剩余強度和剩余劈裂回彈模量，先大概確定各材料在試驗條件下的疲勞壽命，再在第一組試驗中測出其在相同狀況下的疲勞壽命。如果測試結(jié)果和相關資料大概一致，則取均值作為其疲勞壽命Nf；若不一致，則再在相應材料上加一組疲勞試驗(3個試件)，將其試驗結(jié)果和上面對應的3個疲勞試驗結(jié)果一起求平均值，求得6個試件的疲勞壽命均值作為該瀝青混合料的疲勞壽命Nf。

表1 各級等效基體的級配

2 基于CT圖像的瀝青混合料疲勞損傷細觀規(guī)律分析

根據(jù)AC-13C及其細觀組分的等效基體劈裂疲勞損傷試驗結(jié)果，瀝青混合料在疲勞損傷過程中的強度、剛度下降趨勢呈明顯的非線性，且呈現(xiàn)3個階段，即在疲勞壽命的初期強度、剛度緩慢下降，中期下降速率明顯增大，后期下降速率急劇增大(見圖1、圖2)。

把瀝青混合料當作均質(zhì)體難以分析其疲勞損傷機理及早期破壞現(xiàn)象，而由細觀尺度分析瀝青混合料因非均勻性導致應力集中進而引起的局部疲勞損傷，可得到其疲勞損傷起始位置及演化規(guī)律。圖3、圖4分別為AC-13C在不同疲勞損傷下的CT掃描圖像及數(shù)據(jù)模擬典型應力云圖。

圖1 瀝青混合料強度和疲勞壽命的變化規(guī)律

圖2 瀝青混合料剛度和疲勞壽命的變化規(guī)律

圖3 AC-13C不同疲勞損傷狀態(tài)下的CT圖像

圖4 AC-13C細觀模型下不同疲勞損傷狀態(tài)的典型應力云圖(單位：mm)

由圖3、圖4可知：1) 由細觀尺度分析AC-13C在不同疲勞損傷程度下的內(nèi)部應力表現(xiàn)為明顯的非均勻性，表明把瀝青混合料當作均質(zhì)體不合理。均質(zhì)體難以反映瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應力集中及早期局部破壞，而由細觀尺度能從疲勞損傷發(fā)展源、疲勞損傷機理及疲勞損傷演化來分析其結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力集中情況及早期局部損傷。2) 在疲勞損傷初期，瀝青混合料損傷較小，應力集中程度也較小，其損傷源于粗骨料尖角處的瀝青膠漿，原因是在循環(huán)荷載作用下粗集料尖角刺破瀝青膜(膠漿)而產(chǎn)生細觀裂縫，導致瀝青混合料瀝青膠漿發(fā)生損傷。大部分損傷源是由粗集料的棱角刺破瀝青膜(膠漿)所致，粗集料的棱角性容易導致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)應力集中。隨著循環(huán)荷載的進一步作用，瀝青混合料進入疲勞損傷中期，前期被刺破的瀝青膜(膠漿)導致其宏觀力學性能下降，粗集料強度遠大于瀝青膠漿，細觀裂縫大致沿與受力平行瀝青膠漿方向發(fā)展，遇到粗集料則繞開，逐步產(chǎn)生多條宏觀裂縫，此時細集料在抵抗疲勞損傷方面起關鍵作用。到了疲勞損傷晚期，瀝青混合料小裂縫與小裂縫不斷匯合，形成多條大致平行于受力方向的大裂縫，且骨料與骨料之間的嵌擠作用增強，此時粗集料與粗集料之間的相互作用在抵抗損傷方面起關鍵作用。

粗集料的棱角性在瀝青混合料結(jié)構(gòu)中起關鍵作用，一方面，棱角性好的粗集料有利于它們之間的嵌擠作用，使瀝青混合料的強度增加；另一方面，棱角性太好會在疲勞損傷初期刺破瀝青模(膠漿)，使瀝青混合料產(chǎn)生疲勞損傷源，影響瀝青混合料的疲勞壽命。參考相關文獻，得到粗集料棱角性與瀝青混合料強度、疲勞壽命的關系(見圖5、圖6)。

圖5 粗集料棱角性與-10 ℃小梁彎拉強度的關系

圖6 粗集料棱角性與15 ℃瀝青混合料劈裂疲勞壽命的關系

瀝青混合料的細觀結(jié)構(gòu)影響其強度及疲勞壽命，當前瀝青混合料設計方法存在較大缺陷，無法反映集料的細觀特征。由圖5、圖6可知：1) 瀝青混合料的強度隨著粗集料棱角性的增大先增大后減小，先增大的原因是在棱角性較小時，棱角性增大有利于骨料與骨料之間的嵌擠作用，使其強度增大，而增加到一定程度時，骨料與骨料之間的嵌擠已足夠緊密，再增加棱角性對其強度影響較小，且棱角性過大會導致骨料易于壓碎，進而導致其強度下降。粗集料棱角性為1.055左右時，瀝青混合料的強度最大。2) 瀝青混合料的疲勞壽命隨著粗集料棱角性的增大呈減小趨勢且減小速率不斷增大，棱角性1.05左右為其下降速率的一個拐點。綜合考慮強度與疲勞壽命，瀝青混合料設計時將粗集料棱角性控制在1.05左右較合理。

根據(jù)上述瀝青混合料細觀疲勞損傷規(guī)律及特性，瀝青路面使用壽命、行駛質(zhì)量的下降趨勢也呈明顯的非線性，在瀝青路面使用初期，其使用性能指標降低較緩慢，主要是其結(jié)構(gòu)中瀝青混合料粗集料的尖角處刺破瀝青膜(膠漿)導致發(fā)生疲勞損傷，其為疲勞損傷源。如果此時不加以預防性養(yǎng)護措施，任由其使用性能指標降低，前期被刺破的瀝青膜(膠漿)會進一步導致其宏觀力學性能下降，細觀裂縫大致沿著與受力平行瀝青膠漿的方向發(fā)展，到一定程度后，瀝青路面的使用性能會加速下降，出現(xiàn)較大縱、橫向裂縫，進而出現(xiàn)孔洞、坑槽等，水分進入瀝青路面內(nèi)部，在行車荷載作用下，路面內(nèi)部粗集料顆粒包裹的瀝青膜逐步脫落，使路面承載力下降，使用性能急速降低。目前絕大部分瀝青路面養(yǎng)護維修是在任由其使用性能指標下降到一定程度，對行車造成困擾后才采取養(yǎng)護維修措施，是被動、不經(jīng)濟、落后的養(yǎng)護維修。而預防性養(yǎng)護是在瀝青路面使用性能較好、病害出現(xiàn)之前就開始進行相應養(yǎng)護維修，可提高瀝青路面服務能力和行駛質(zhì)量，延長其使用壽命。在瀝青路面使用壽命周期內(nèi)，預防性養(yǎng)護相比傳統(tǒng)養(yǎng)護能大大降低養(yǎng)護所需資金，減緩道路養(yǎng)護部門資金壓力，提高道路行車安全性。圖7為瀝青路面使用性能隨使用壽命的下降趨勢。根據(jù)圖7，在前期使用壽命的75%其性能才下降40%，而之后12%使用壽命其性能也下降40%，再次表明瀝青路面在使用過程中性能呈現(xiàn)衰減加速，且在衰減過程中存在突變點。

圖7 瀝青路面使用性能和壽命的變化規(guī)律

基于上述理論，提出基于瀝青混合料疲勞損傷過程中細觀力學性能的預防性養(yǎng)護維修技術。根據(jù)瀝青路面中瀝青混合料疲勞損傷過程中細觀力學性能的發(fā)生、演化、破壞規(guī)律進行預防性養(yǎng)護維修，通過檢測瀝青路面強度、剛度、損害度等宏觀指標(見圖8、圖9)，在細觀尺度通過CT掃描及數(shù)字圖像處理得到瀝青路面中瀝青混合料的空隙率、CT數(shù)等細觀指標(見圖10、圖11)，將宏觀尺度與細觀尺度相結(jié)合進行瀝青路面預防性養(yǎng)護科學決策。

圖8 瀝青混合料相同壽命比下剩余強度

圖9 瀝青混合料相同壽命比下劈裂回彈模量

圖10 瀝青混合料不同損傷下CT數(shù)對比

圖11 瀝青混合料不同損傷下空隙率對比

由圖8～11可知：各瀝青混合料的力學性能、CT數(shù)隨著疲勞壽命的增加呈下降趨勢，空隙率隨著疲勞壽命的增加而遞增。各混合料的性能呈規(guī)律性變化，從無疲勞損傷到50%N/Nf其下降或增長速率緩慢，稱為穩(wěn)定變化階段；由50%N/Nf到65%N/Nf其變化速率明顯增加，稱為加速變化階段；而65%N/Nf以后其變化速率急劇增加，稱為極速變化階段。在穩(wěn)定變化階段，每10%N/NfAC-13C的強度下降0.053 4 MPa，劈裂回彈模量下降28.48 MPa,CT數(shù)下降0.014 8，空隙率上升0.15%；在加速變化階段，每10%N/Nf其強度下降0.114 MPa，劈裂回彈模量下降72 MPa,CT數(shù)下降0.095 3，空隙率上升1.53%；在極速變化階段，每10%N/Nf其強度下降0.245 1 MPa，劈裂回彈模量下降153 MPa，CT數(shù)下降0.138 7，空隙率上升2.302%。

3 基于混合料疲勞損傷細觀力學性能的預防性養(yǎng)護時機及養(yǎng)護措施

瀝青路面養(yǎng)護科學決策需考慮兩方面需求，一是路況指標達不到規(guī)定技術要求時需采取的養(yǎng)護措施，二是路況指標雖達到技術要求，但根據(jù)全壽命周期費用分析的需要而采取的預防性養(yǎng)護措施，且決策結(jié)果最終要落實到養(yǎng)護規(guī)劃和養(yǎng)護計劃編制上。預防性養(yǎng)護不屬于大中修、專項養(yǎng)護和日常養(yǎng)護范疇，它根據(jù)瀝青路面疲勞損傷過程中細觀性能演化規(guī)律及路況指標、大修或改建后使用年限、交通量等指標進行決策。

新建瀝青路面在前期其路用性能處于穩(wěn)定發(fā)展階段，主要是結(jié)構(gòu)中粗集料尖角處刺破瀝青膜(膠漿)導致疲勞損傷，這是疲勞損傷源，如果此時不加以預防性養(yǎng)護，任由其使用性能指標降低，則前期被刺破的瀝青膜(膠漿)會進一步導致其宏觀力學性能下降。瀝青路面在使用中期其路用性能處于加速發(fā)展階段，主要是結(jié)構(gòu)中前期被刺破的瀝青膜(膠漿)及表面的微裂縫自上向下發(fā)展導致其宏觀力學性能下降，粗集料強度遠大于瀝青膠漿，細觀裂縫大致沿著與受力平行的瀝青膠漿中發(fā)展，隨著循環(huán)交通荷載的進一步作用，其路用性能下降較快，進入加速發(fā)展階段的中后期其細觀力學性能的演化速率明顯增加，進而導致瀝青路面宏觀上的疲勞破壞加速。瀝青路面在使用晚期其路用性能處于極速發(fā)展階段，基體與骨料之間完全脫離，瀝青路面的使用性能呈現(xiàn)加速下降趨勢，開始出現(xiàn)較大縱、橫向裂縫，接著出現(xiàn)坑槽、孔洞，水分進入路面內(nèi)部，在行車荷載作用下，路面內(nèi)部粗集料顆粒包裹的瀝青膜開始脫落，承載力下降，使用性能急速下降。根據(jù)上述細觀特征，結(jié)合路況指標、使用年限、交通量等指標確定早、中、晚3個時期預防性養(yǎng)護時機及養(yǎng)護措施。

(1) 早期預防性養(yǎng)護時機及養(yǎng)護措施。從細觀上看，瀝青路面在早期的疲勞損傷主要是微表層產(chǎn)生疲勞損傷，由于其直接與車輪接觸、受力較大且所處環(huán)境最惡劣，早期疲勞損傷形式是結(jié)構(gòu)中瀝青混合料的瀝青膜被粗集料尖角刺破而產(chǎn)生微裂紋。據(jù)此確定早期預防性養(yǎng)護采用含砂霧封層與微表處技術。含砂霧封層采用由改性乳化瀝青或煤瀝青基材料、陶土等添加劑、石灰?guī)r或玄武巖細粒砂組成的混合料，用專業(yè)的高壓噴灑車在瀝青路面上噴灑形成薄層。微表處采用由改性乳化瀝青、細礦料、添加劑和水按合適比例組成的混合料，采用專用稀漿攤鋪車進行施工。含砂霧封層及微表處中的乳化瀝青可滲透到瀝青路面微表層，填補粗集料刺破的瀝青膜，修補結(jié)構(gòu)中瀝青混合料早期損傷，從而延緩瀝青路面早期疲勞損傷的發(fā)生、發(fā)展；還能封閉瀝青路面表面的微裂縫，防止微裂縫自上往下發(fā)展及水分下滲，顯著延長瀝青路面性能穩(wěn)定發(fā)展期。

(2) 中期預防性養(yǎng)護時機及養(yǎng)護措施。從細觀上看，瀝青路面在中期的疲勞損傷主要是微表層疲勞損傷沿著瀝青膠漿發(fā)展，微裂紋發(fā)展為宏觀裂縫。據(jù)此確定中期預防性養(yǎng)護采用碎石封層技術，在舊瀝青路面強度符合要求的條件下，對原瀝青路面進行清掃及簡單處理，直接灑布瀝青、撒布碎石經(jīng)碾壓后形成薄層。瀝青可滲透瀝青路面微表層修補一部分疲勞損傷，瀝青與碎石能較好地填補瀝青路面表面被損傷的瀝青膠漿。

(3) 晚期預防性養(yǎng)護時機及養(yǎng)護措施。從細觀上看，瀝青路面在晚期的疲勞損傷是宏觀裂縫進一步發(fā)展，主要是基體與骨料之間完全脫離，各小裂縫不斷發(fā)展或匯合形成多條較大的宏觀裂縫。據(jù)此確定晚期預防性養(yǎng)護主要采用薄層罩面，在舊瀝青路面上鋪設一層較厚的改性乳化瀝青，然后馬上鋪筑熱拌瀝青混合料，緊接著壓路機進行碾壓成型，攤鋪厚度10～30 mm。薄層罩面技術給原瀝青路面提供一個嶄新的表面，對原疲勞損傷的路面起到隔離作用，改善原瀝青表面的環(huán)境，行車循環(huán)荷載不直接

作用于原瀝青表面，進而延長其疲勞壽命，增加行車安全性；也使瀝青路面原有的許多表面破壞如裂縫、轍槽、坑洞等得到有效治理。

4 結(jié)論

(1) 均質(zhì)體難以反映瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應力集中及早期局部破壞，而根據(jù)細觀尺度能從疲勞損傷的發(fā)展源、疲勞損傷機理及疲勞損傷演化分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力集中情況及早期局部損傷。

(2) 瀝青路面的使用壽命、行駛質(zhì)量下降趨勢呈現(xiàn)明顯的非線性，使用性能呈現(xiàn)加速下降趨勢，即前期穩(wěn)定變化、中期加速變化、后期極速變化。

(3) 瀝青路面使用性能處于穩(wěn)定變化階段的中后期，可采用早期預防性養(yǎng)護，主要采用含砂霧封層技術與微表處技術；處于加速變化階段的中后期，可采用中期預防性養(yǎng)護，主要采用碎石封層技術；處于極速變化階段的前期，可采用晚期預防性養(yǎng)護，主要采用薄層罩面。