摘要：以江苏省宁常高速公路为依托工程，通过7年数据跟踪、现场取芯、雷达检测等方式。与室内试验相结合，综合评估橡胶沥青路面的路用性能。结果表明，与同时期铺筑的SMA 路面相比，橡胶沥青路面的裂缝条数较多，裂缝发展速度较快，已贯穿下基层的裂缝占 28.8% 。橡胶沥青路面的低温抗裂性能和抗老化性能优于 SMA 路面，抗车辙性能和疲劳性能略差于SMA 路面。
关键词：橡胶沥青路面；裂缝；路用性能；雷达检测
废旧轮胎的不当贮存、再生和处置易造成严重的环境问题和经济问题，被称为“ 黑色污染”。全球废旧轮胎年产生量大约为1700万 t，中国、欧盟部分国家、美国、日本和印度是废旧轮胎的主要产生地。废旧轮胎只有小部分被回收用于新轮胎的生产、轮胎衍生燃料、模塑橡胶产品或作为低质量橡胶使用，80% 的废旧轮胎被堆积在垃圾场，对人们的生活环境和身体健康造成安全问题。橡胶具有优异的弹性性质，将其用于沥青混凝土的制备，可以提高路面的高温抗变形能力。橡胶改性沥青混凝土( RMA) 是由集料、回收废旧橡胶、沥青拌和而成的混合料[1] 。Borah 等[2] 研究发现，橡胶粉能提高路面强度、减少路面车辙，还能改善沥青的高低温流变性能，橡胶沥青路面的使用寿命是普通沥青路面的 3 倍。橡胶应用在公路和铁路建设中还包括其他优点，如改善热稳定性、增强低温抗裂能力、降低噪声和提高行车舒适性[3 4] 等。
本文结合宁常高速公路橡胶沥青( ARAC) 路面的实际使用状况，综合评估橡胶沥青路面的路用性能。
1 工程概况
江苏省宁常高速公路全长 155.19 km，于 2003年 10 月开工建设，2007 年 9 月全线通车。K131 + 301 ~ K160 + 201 段采用ARAC 13 上面层和橡胶沥青 SAMI 应力吸收层，其余路段均采用 SMA 13 上面层，ARAC 路面的断面交通量略低于SMA 路面。截至 2018 年 12 月，宁常高速公路已经通车 11 年，接近设计寿命的中后期，路面出现了不同程度的裂缝、坑槽、车辙等病害。为防止病害进一步发展，延长路面使用寿命，需要制定科学、合理的养护对策对病害进行处治。
2 检测数据分析
通过对历年检测数据分析发现，与 SMA 路面相比，ARAC 路面裂缝较多、车辙状况较差。因此，以裂缝条数、裂缝发展速率、车辙指数( RDI) 为重点评价指标，对ARAC 路面和SMA 路面的路用性能进行评估。2011—2017 年不同结构路面单公里裂缝条数如图1所示。2011—2017 年不同结构路面单公里裂缝长度如图 2 所示。
由图1 ~ 图 2 可知，2011—2017 年，ARAC 路面的单公里裂缝条数、裂缝发展速率是SMA 路面的 2倍左右，其单公里裂缝长度是SMA 路面的2.5倍左右。
2011 年—2017 年 ARAC 路面和 SMA 路面 RDI如图 3 所示。
2011—2014 年，ARAC 路面和 SMA 路面的 RDI值均逐渐下降；2014—2017 年，ARAC 路面和 SMA 路面的 RDI 值呈现先增长后下降的趋势，可能与2015—2016 年的养护维修有关。整体来看，SMA 路面的RDI 值略大于 ARAC 路面，由于 SMA 路面的养护工程量较小，因此其车辙状况略优于ARAC 路面。
3 室内试验
基于检测数据分析结，分别在 ARAC 路面和SMA路面裂缝密集处、裂缝稀疏处的轮迹带和硬路肩取芯，开展室内试验，分析 ARAC 路面和 SMA 路面结构的疲劳性能、抗裂性能和高温抗车辙性能。两种路面结构取芯位置的断面交通量基本相当，均为中等交通。
3.1 疲劳性能
为评价 ARAC 路面和 SMA 路面旧路材料的抗疲劳性能，对所取芯样进行切割，得到直径 150 mm、高度 40 mm 的面层芯样，分别进行劈裂疲劳试验。采用控制应力模式，连续半正弦荷载，试验温度15 ℃ ，加载频率 10 Hz，面层应力0.7 MPa，终止条件为模量衰减至初始模量的 50% 。ARAC 路面和SMA 路面上面层疲劳寿命对比如图 4 所示。
由图 4 可知：
①ARAC 路面裂缝较少的路段断面(K153 +210)处的疲劳寿命是裂缝较多的路段断面(K147+150)处疲劳寿命的1.54倍；SMA 路面裂缝 较少路段断面( K166 + 200) 处的疲劳寿命是裂缝较多的路段断面(K183 + 200)处疲劳寿命的1.67倍，说明裂缝较多路段的面层疲劳寿命会显著下降。
②ARAC路面整体比 SMA 路面疲劳寿命略低，说明ARAC 路面在车辆荷载作用下更容易出现疲劳损伤。与设计期相比，ARAC 路面疲劳寿命的降幅较大。
3． 2 低温抗裂性能
目前，国内主要以小梁弯曲试验和间接拉伸试验作为测定路面材料抗拉强度的标准试验方法，进而评价路面抗裂性能。与小梁弯曲试验和间接拉伸试验相比，半圆弯曲( semi-circle bending,SCB) 试验设备简单、试件制备容易，试验中试件的受力模式与实际荷载下路面的真实应力状态较为接近，在表征沥青混合料抗裂性能方面具有优越性。为对比分析沥青混合料产生裂缝所需的能量，采用断裂能指标进行低温抗裂性能评价。
对芯样进行切割，得到直径 150 mm、厚度 40 mm、预制切口长度15 mm 的半圆试件，在- 10 ℃条件下进行半圆弯拉试验，主要分析交通量、裂缝密集程度以及两种结构路面低温抗裂性能之间的关系。ARAC 路面和SMA 路面上面层断裂能对比如图5 所示。
由图 5 可:
①ARAC 路面和 SMA 路面同一断面轮迹带处的断裂能均大于硬路肩处的断裂，说 明 中 等 交 通 条 件 下 抗 裂 性 能 损 失 不 大。
②ARAC路面裂缝较多路段(K147 + 150)轮迹带处的断裂能大于 SMA 路面裂缝较多路段( K183 +200)，说明目前 ARAC 路面的低温抗裂性能略优于SMA 路面，该结论与 ARAC 路面裂缝多于 SMA 路面的结论不相符，这可能存在两方面原因：一是取芯位置是裂缝附近的完好处，而沥青路面的不均匀和施工变异性可能会导致这两个断面的抗裂性能出现差异；二是反射裂缝的产生和发展主要受基层开裂后交通荷载作用的影响，沥青上面层抗裂性能的差异无法对该过程产生显著影响。
3． 3 高温性能
根据沥青混合料的受力特点，采用同轴直剪方法测试 ARAC 路面和 SMA 路面上面层的剪切强度。ARAC 路面和 SMA 路面上面层剪切强度对比如图 6所示。
由图 6 可 知:
① ARAC 路 面 裂 缝 较 多 路 段(K147 + 150)断面处的剪切强度大于裂缝较少路段(K153 + 210)断面处的剪切强度，SMA 路面裂缝较多路段(K183 + 200)断面处的剪切强度大于裂缝较少路 段 ( K153 + 210 ) 断 面 处 的 剪 切 强 度， 说 明ARAC 路面和 SMA 路面裂缝较多路段结构的抗车辙性能优于裂缝较少路段，可能与裂缝较多路段沥青的老化有关。
②ARAC 路面和 SMA 路面裂缝较多路段断面剪切强度的关系为SMA(K183+ 200)> ARAC(K147 + 150)；裂缝较少路段断面剪切强度的关系为 ARAC(K153 + 210)≈SMA(K166 + 200)；断面硬路肩处 ARAC(K153 + 210) < SMA(K166 +200)，表明 SMA 路面上面层的抗车辙性能优于ARAC 路面，与上文分析结论一致。
采用剪切强度作为评价指标，虽然可以分析上面层混合料的抗车辙性能的特点，但是抗车辙性能的评估应综合考虑材料的强度和变形能力，本试验采用断裂能的指标综合衡量混合料的抗车辙性能，断裂能定义为
ARAC路面和SMA路面上面层剪切强度对比如图7所示。
由图 7 可知:
①ARAC 路面和 SMA 路面裂缝较多路段轮迹带和硬路肩处的断裂能均大于裂缝较少路段，说明裂缝较多路段抗车辙性能优于裂缝较少路段，这可能与裂缝较多路段沥青老化、施工变异性有关。
②ARAC 路面轮迹带处的抗车辙性能优于硬路肩，说明行车荷载会加剧 ARAC 路面混合料中沥青胶结料的老化；SMA 路面轮迹带处的抗车辙性能较硬路肩处性能，说明 SMA 路面混合料在行车荷载作用下蠕变变形逐渐累积，导致其抗车辙性能逐步下降。
③SMA 路面的断裂能大于 ARAC 路面，说明高速公路服役 11 年后，SMA 路面的抗车辙性能仍优于 ARAC 路面。
3． 4 沥青回收试验
为了分析 ARAC 路面和 SMA 路面材料的老化程度，分别对 ARAC 路面 K147 + 150、K153 + 210 断面处和 SMA 路面 K166 + 200、K183 + 200 断面处的芯样采用旋转蒸发器法进行回收试验，测试回收沥青的针入度、软化点、延度指标，并与设计期所用沥青的指标对比，评定沥青混合料中沥青的老化程度。ARAC 路面和 SMA 路面回收沥青性能指标如图 8 所示。
由图 8 可知:
①与设计期橡胶改性沥青和 SBS 改性沥青的性能指标相比，ARAC 路面和 SMA 路面回收沥青的针入度、延度均减小，说明两种路面材料在行车荷载与外界环境作用下均发生严重老化。
②ARAC 路面和 SMA 路面裂缝较多路段回收沥青的针入度、延度的下降率较裂缝较少路段大，说明裂缝较多路段沥青的老化更严重，与上文结论一致。
4 雷达检测
为了分析 ARAC 路面和 SMA 路面裂缝的发展层位以及裂缝周边结构的状况，选取典型路段，采用雷达检测获取裂缝断面的路面结构内部图像，分析 ARAC 路面和 SMA 路面结构的内部状况。雷达检测结果如图 9 所示。
由图 9 可知，路表裂缝断面对应的上、下基层位置并未出现明显的信号反射，说明裂缝还未贯穿至基层，判断裂缝可能仅发生在路表。路表裂缝断面对应的上基层处存在 1 条竖直的信号反射带，而下基层并未出现明显的发射信号，判断该位置裂缝贯穿至上基层。路表裂缝断面对应的上、下基层位置均存在 1 条竖直的信号反射带，判断该位置裂缝已贯穿至下基层。
ARAC 路面和 SMA 路面裂缝仅发生在路表分别占 21.4% 、18.6% ；贯穿至上基层分别占 60.7% 、52.5% ; 贯穿至下基层分别占 17.9% 、 28.8% 。ARAC 路面裂缝贯穿至下基层的比例高于 SMA 路面，表明ARAC 路面裂缝向下发展的速度比SMA 路面快，对基层结构的影响也较大，需要及时采取养护措施，阻止裂缝进一步向下发展。
5 结论
(1)ARAC 路面的单公里裂缝条数、裂缝发展速率是 SMA 路面的2倍左右，单公里裂缝长度是SMA 路面的 2.5 倍左右。 ARAC 路面的车辙状况略差于 SMA 路面。
(2)宁常高速公路通车11年后，ARAC 路面和路面疲劳性能和低温抗裂性能均出现严重衰减，ARAC 路面的衰减更严重。ARAC 路面的疲劳性能略差于 SMA 路面，其裂缝较多，断面轮迹带处的低温抗裂性能优于 SMA 路面。同时，裂缝密集程度受疲劳寿命和断裂能的影响较大。
(3)裂缝较多路段路面的剪切强度和断裂能较，SMA 路面的剪切强度和断裂能均大于ARAC路面，其抗车辙性能优于 ARAC 路面。
(4)ARAC 路面材料和 SMA 路面材料在行车荷载与外界环境作用下均发生了严重老化，裂缝较多路段沥青老化更严重。
