沥青路面取芯代表性的影响因素分析

卢永贵 肖波

（四川高速公路建设开发集团有限公司，四川 成都 610041）

一、前言

投入运营的沥青路面，在车辆荷载冲击、环境温度变化、水份循环等外因、外力作用下，会产生疲劳破坏，出现路面开裂等病害。未及时封闭处治的路面裂缝，将致使雨水下渗、侵入路面结构层间空隙，在车辆动水压力作用下，进一步形成冲刷、剥落、松散等病害，因此，需要及时维修。目前，勘察路面病害原因的主要手段包含无损检测和破坏性检测。

无损检测需要根据历史经验建立模型，将检测接收信号输入模型反演推论、预测病害成因，其准确性受到路面实际情况与模型的匹配程度、项目负责人的工程经验等因素影响。因此，计算结果可能会存在一定的误差，需要以“探坑、铣刨、钻芯”等破坏性手段剥离路表覆盖物，直接观察隐蔽部分情况进行复核验证。

钻芯取样属于破坏较小、成本较低，是最直接有效的破坏性检测手段，也是最常见的路面病害调查方法。笔者根据多年的实践经验发现，在开展钻芯取样工作时，大多照搬交工的操作模式。新建沥青路面的粘结性较强，钻芯机钻头对芯样的扰动破坏相对较小；新建路面未经历渠化交通，整个纵横断面上材料、结构状况相同，取样位置对结果影响较小。养护病害调查的路况则完全不同，照搬交工模式，将造成病害成因分析失准、夸大病害程度、扩大病害规模、处治对策针对性弱、经济性差等问题。

本文将探讨沥青路面取芯模式对芯样的样本属性分析准确性的影响，以期优化、规范取芯操作流程，提高勘察精度，提升处治对策的精准性、针对性。

二、取芯机钻头尺寸影响

取芯机工作原理为钻头高速运转，带动套筒头部的薄壁金刚石快速打磨、粉碎、切割主体材料，在其内部破出一道环形鸿沟，切断分割部分主体作为研究样本。由此可见，取芯机工作时，对路面材料做了较多额外功，对芯样物质有剪切、扰动、破坏等影响。假设对大面积主体材料的破坏能量与做功大小可用钻头切割、粉碎的物料多少来定量表达，则破坏能量可用公式V1=h×d×π×2R计算，式中h为芯样高度；d为钻机筒套壁厚；R为芯样半径。根据芯样体积公式V2=π×R2×h可推论：芯样单位体积所受破坏能量为V1/V2=2×d/R。式中钻机筒套壁厚d为定值，故芯样单位体积的破坏能与芯样半径R成反比，由此可得，芯样越大，受到的破坏、扰动越小。

对于服役多年的路面材料，在受到各种因素的侵蚀、削弱、破坏后，残留的结构强度、粘结性将大幅度低于通车之初，若此时仍采用交工时直径100mm的马歇尔试件取芯，芯样势必受到较大影响，不能完全反映路面结构的现状。由于采用小钻头取芯，粒料间、层间残存的粘结强度被扰动、破坏殆尽，芯样破碎松散，将会误判路面结构完全丧失粘结力，没有任何残余强度和利用价值。

笔者在四川某通车8年的高速路面钻芯现场发现，在路面纵横裂缝交叉处钻取直径为100mm的芯样时，其结构破碎松散，无法取出完整芯样；但相同地方改为钻取直径为150mm的芯样时，可取出完整芯样，裂缝贯穿芯样，被分割为几大块。由此可见，大直径芯样才能够反映出路面结构的真实状况。

另外，在调查养护工程病害时，需要取样分析矿料级配和沥青老化程度，采用小钻头取芯时，切割形成的环形空隙存在较大边界效应，造成粗集料被钻头破碎比例较大，导致级配分析失准。其中，采用直径为100mm的钻头切割粗集料含量为40%的AC-13C，切割环周长为31倍粗集料粒径，粗集料破碎率大约为30%×40%=12%；同理，采用直径为150mm的钻头切割时，粗集料破碎率大约为8%；采用直径为200mm的钻头切割时，粗集料破碎率大约为6%；500×500mm切割体的粗集料破碎率则仅为3%。

综上所述，为了取出能反映路面材料真实状况的芯样，建议采用直径150mm以上的薄壁钻头，并以500×500mm的切割体为样品，分析矿料级配。

三、取芯位置影响

高速公路交通渠化非常严重，在路面结构设计教材中，单向行驶车道轮迹横向分布频率曲线图表明，在距车道标线1～1.25m处，车辆荷载频率最大；故重车行驶的主车道轮迹带承受的荷载力较大，破坏程度也较大。新建沥青路面整个断面的材料设计参数是相同的，故渠化交通会造成非均匀性破坏、差异化破损。调查路面病害时，常以最不利的主车道轮迹带破损位置的芯样状况作为代表样本。因此，采用此代表样本作出的评估结论，在一定程度上会夸大病害。主车道的双轮组左右轮迹宽度2×50cm，仅占全断面（10.5m）的9.5%，即使增加1m宽轮迹影响区域也仅占19%。四川某通车8年高速路面取芯表明，轮迹带上纵横裂缝交叉处松散、无法取芯，紧邻此点15cm处的芯样则密实完好、强度较高。由此可见，上述方法存在一定局限性，应在全断面其他位置同时取芯分析、绘制破损图谱，准确掌握结构损伤状况，以便提出更加经济、合理、针对性强的处治病害方案。

本文建议在断面上层路面破损处和破损点旁20cm处，以及此断面上所有车道的轮迹带和轮迹带旁20cm处钻芯取样。以这些点位的芯样状况绘制破损图谱，可全面掌握路面结构损伤状况。

四、取芯机参数影响

采用性能参数较差的取芯机运行时，不仅会出现整机抖动、钻头摆动、芯样扰动等问题，还将导致误判路况。因此，必须选择运行平稳、动力强劲、钻头坚硬、筒壁纤薄的取芯机，减少对芯样的扰动、破坏影响，增加芯样反映路面强度衰减状况的代表性。

根据多个项目的成功实践经验，笔者建议采用双立柱结构、螺旋给进汽油取芯机，配备薄壁金刚石钻头、高速切割，保证机器主轴最高转速不低于1000r/min，功率不小于10kW，自重大于160kg。

五、结语

本文从取芯机钻头尺寸、取芯位置、取芯机参数3个方面，分析了沥青路面取芯的影响因素，提出合理优化取芯机参数的方法，并规范具体操作流程，实际工程应用结果表明，本文提出的方法可提高勘察准确性，增强芯样的路况代表性，提升病害处治对策的精准性和针对性，可供同行参考。