瀝青路面裂縫原因分析與減緩措施

王云輝　李晉文

摘 要：本文從瀝青路面裂縫應(yīng)力分析，探討了產(chǎn)生裂縫的原因，提出了從設(shè)計(jì)與施工方面解決裂縫的辦法，僅供廣大公路工程施工、監(jiān)理、養(yǎng)護(hù)管理人員借鑒。

關(guān)健詞：瀝青路面；裂縫原因；減緩；措施

瀝青路面在使用期開(kāi)裂是世界各國(guó)普遍存在的問(wèn)題，且不論其基層是柔性的還是半剛性的。路面裂縫的危害在于從裂縫中不斷進(jìn)入水分，使基層甚至路基軟化，導(dǎo)致路面承載力下降，產(chǎn)生唧漿、臺(tái)階、網(wǎng)裂等病害，從而加速路面破壞。

1 瀝青路面開(kāi)裂原因

(1)瀝青路面開(kāi)裂的主要原因可分為兩大類(lèi)：一種是由于行車(chē)荷載的作用而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性破壞裂縫，一般稱(chēng)之為荷載型裂縫。另一種主要是由于瀝青面層溫度變化而產(chǎn)生的溫度裂縫，包括低溫收縮裂縫和疲勞裂縫，一般稱(chēng)之為非荷載型裂縫。(2)由于我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定或推薦瀝青路面采用半剛性基層。所以還存在著因?yàn)榘雱傂曰鶎拥臏乜s裂縫或干縮裂縫引起瀝青面層產(chǎn)生的反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫。此類(lèi)裂縫主要是非荷載型的，在某些情況下也可能是由溫度和荷載共同完成的。

2 瀝青路面裂縫應(yīng)力分析

2.1 結(jié)構(gòu)性破壞裂縫

(1)瀝青路面的結(jié)構(gòu)性破壞裂縫主要是由于行車(chē)荷載引起的。在車(chē)輪荷載作用下，大于半剛性基層材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，半剛性基層的底部就會(huì)很快開(kāi)裂。在行車(chē)荷載的反復(fù)作用下，底部的裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展到上部，并使瀝青面層也產(chǎn)生開(kāi)裂破壞。影響拉應(yīng)力主要因素有面層的厚度、基層本身的厚度、基層的回彈模量和下承層的回彈模量。選取不同的瀝青面層厚度和半剛性基層厚度，通過(guò)試驗(yàn)可以得出半剛性基層底部的拉應(yīng)力與半剛性材料回彈模量間的關(guān)系曲線。

(2)在半剛性基層下采用半剛性材料做底基層，可使基層底面由行車(chē)荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力明顯減小，甚至還小于半剛性底基層底面產(chǎn)生的拉應(yīng)力，這對(duì)半剛性基層承受行車(chē)荷載的反復(fù)作用是十分有利的。

2.2 溫度裂縫

瀝青面層上的非荷載型裂縫主要是溫度裂縫。溫度裂縫有兩種，一種是低溫收縮裂縫或簡(jiǎn)稱(chēng)低溫裂縫，另一種是溫度疲勞裂縫。

2.2.1 低溫裂縫

瀝青材料在較高溫度條件下，具有良好的應(yīng)力松馳性能，溫度升降產(chǎn)生的變形不致于產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力，但當(dāng)氣溫大幅度下降時(shí)，瀝青材料逐漸發(fā)硬并開(kāi)始收縮。此時(shí)半剛性基層的底部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力瀝青混合料的應(yīng)力松馳趕不上溫度應(yīng)力增長(zhǎng)，混合料勁度急劇增大。由于瀝青面層在路面中是受到約束的，面層中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力或拉應(yīng)變一旦超過(guò)瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，瀝青面層就會(huì)開(kāi)裂。這種情況在瀝青面層與基層的附著力不夠好、允許有一定的自由收縮時(shí)，裂縫就更容易發(fā)生。由于瀝青路面寬度有限，收縮受路面結(jié)構(gòu)的相互約束小，所以低溫裂縫主要是橫向的。

2.2.2 溫度疲勞裂縫

這種裂縫主要發(fā)生在日溫差大的地區(qū)。由于溫度反復(fù)升降導(dǎo)致瀝青面層溫度應(yīng)力疲勞，使瀝青混合料的極限拉伸應(yīng)變(或勁度模量)變小，加上瀝青的老化使瀝青勁度增高，應(yīng)力松馳性能降低，最終達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度使路面產(chǎn)生裂縫。

2.2.3 光彈試驗(yàn)

在面層和基層均無(wú)裂縫的情況下，表面降溫30℃，一方面溫度向?yàn)r青面層底部傳遞需要一定的時(shí)間，不是瞬時(shí)完成的，而且瀝青面層內(nèi)部和底部的溫度不可能與其暴露表面的溫度相同，始終有溫度差，即瀝青面層中會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度。瀝青面層愈厚，表面溫度與底部溫度差愈大，層間溫度梯度也愈大。

另一方面瀝青面層表面的溫度應(yīng)力隨著面層的增厚而增加，面層內(nèi)的應(yīng)力隨深度而很快減小，同時(shí)面層表面的溫度應(yīng)力隨降溫幅度變小而減小。瀝青面層的表面一旦開(kāi)裂，隨著持續(xù)低溫或另一次降溫，在裂縫尖端會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，使裂縫向下延伸并逐漸穿透整個(gè)瀝青面層；由于面層底部與基層表面的粘結(jié)作用，裂縫呈現(xiàn)上寬下窄現(xiàn)象。

2.3 半剛性路面的反射裂縫和對(duì)應(yīng)裂縫

2.3.1 由半剛性基層溫縮開(kāi)裂引起的反射裂縫

通常假設(shè)導(dǎo)致反射裂縫的機(jī)理是處于瀝青面層下的半剛性基層已經(jīng)開(kāi)裂，并且允許有垂直位移和水平位移。垂直位移是由行車(chē)荷載引起的下臥路面結(jié)構(gòu)在裂縫處的差動(dòng)位移，水平位移是由溫度變化或水分變化引起的膨脹和收縮。

冬季或在寒冷地區(qū)，在結(jié)合得好的瀝青面層下，開(kāi)裂的半剛性基層的水平位移使得直接在裂縫上的面層內(nèi)產(chǎn)生大的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，由于在較低溫度下瀝青面層通常較硬，它只能承受小的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，因此容易被拉裂，并且裂縫的擴(kuò)展途徑是由下至上的。瀝青面層的厚度愈薄，反射裂縫形成的愈早和愈多。

2.3.2 由半剛性基層干縮開(kāi)裂引起的反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫

對(duì)于新鋪的半剛性基層，隨著混合料中水分的減少，要產(chǎn)生干縮和干縮應(yīng)力；水分減少得愈多愈快，產(chǎn)生的干縮應(yīng)力和干縮應(yīng)變就愈大。在已經(jīng)產(chǎn)生干縮裂縫的半剛性基層上鋪筑瀝青面層，在較薄瀝青面層的情況下，半剛性基層的裂縫會(huì)由于溫度應(yīng)力而使面層底部先開(kāi)裂，并較快形成反射裂縫。一旦行車(chē)產(chǎn)生的拉應(yīng)力與溫度應(yīng)力相結(jié)合，反射裂縫會(huì)形成得更快。在較厚瀝青面層的情況下，由于溫度應(yīng)力在表面最大，基層的裂縫將促使面層先從表面開(kāi)裂，然后逐漸向下傳播形成對(duì)應(yīng)裂縫。

3 影響裂縫產(chǎn)生的主要因素

3.1 瀝青及瀝青混合料的性質(zhì)

瀝青和瀝青結(jié)合料的性質(zhì)是影響瀝青路面溫度開(kāi)裂的最主要原因，瀝青混合料的低溫勁度是決定瀝青路面是否開(kāi)裂的最根本因素，瀝青勁度又是決定瀝青混合料勁度的關(guān)鍵。在瀝青性能指標(biāo)中，影響更大的是溫度敏感性，溫度敏感性大的瀝青更容易開(kāi)裂。

3.2 基層材料的性質(zhì)

基層材料的收縮性愈小，面層裂縫愈少。基層上有透層油以加強(qiáng)與面層的粘結(jié)對(duì)抗開(kāi)裂是有好處的，基層材料種類(lèi)對(duì)瀝青面層的裂縫有明顯影響。

3.3 氣候條件

極端最低溫度、降溫速率、低溫持續(xù)時(shí)間、升降溫循環(huán)次數(shù)是氣候條件影響瀝青路面溫縮裂縫的四大要素。

3.4 交通量和車(chē)輛類(lèi)型

半剛性基層中的最大拉應(yīng)力，通常是由最重的車(chē)輪荷載產(chǎn)生的；并且對(duì)于半剛性路面，不同軸載對(duì)路面的破壞作用遠(yuǎn)不是4次方的關(guān)系，而是11～13次方的關(guān)系，即使是通過(guò)次數(shù)較少的重荷載也對(duì)路面破壞起著決定性的作用。

3.5 施工因素

主要指半剛性基層材料的碾壓含水量，半剛性基層完成后的暴曬時(shí)間等因素。

4 減輕瀝青路面裂縫的措施

根據(jù)規(guī)范，通過(guò)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和厚度計(jì)算可以滿足瀝青路面強(qiáng)度和承載能力要求，基本解決荷載型裂縫產(chǎn)生的問(wèn)題。對(duì)于如何避免或減輕非荷載型裂縫的產(chǎn)生，應(yīng)從設(shè)計(jì)與施工兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行考慮。

4.1 設(shè)計(jì)方面

(1)在進(jìn)行半剛性路面設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)選用抗沖刷性能好、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)小、抗拉強(qiáng)度高的半剛性材料做基層。

(2)選用松弛性能好的優(yōu)質(zhì)瀝青做瀝青面層。在缺少優(yōu)質(zhì)瀝青的情況下，應(yīng)采取改善瀝青性質(zhì)的措施。

(3)在穩(wěn)定度滿足要求的前提下，優(yōu)先選用針入度較大的瀝青做瀝青面層。

(4)瀝青面層采用密實(shí)型瀝青混凝土。

(5)采用合適的瀝青面層厚度，確保半剛性基層在使用期間一般不會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫和溫縮裂縫。

(6)為進(jìn)一步提高表面層抗溫度裂縫性能，可采用橡膠瀝青或聚合物瀝青在瀝青混凝土表面做一封層。

(7)設(shè)置應(yīng)力消減(應(yīng)力吸收)中間層。

4.2 施工方面

(1)嚴(yán)格控制半剛性基層施工碾壓時(shí)的含水量，混合料的含水量不能超過(guò)壓實(shí)需要的最佳含水量或控制在施工規(guī)范容許的范圍內(nèi)。

(2)半剛性基層碾壓完成后，要及時(shí)養(yǎng)生。

(3)半剛性基層碾壓完成后或最遲在養(yǎng)生結(jié)束后應(yīng)立即用乳化瀝青做透層或封層。

(4)透層或粘層完成后，應(yīng)盡快鋪筑瀝青面層。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際上按照現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范要求，瀝青路面厚度設(shè)計(jì)相對(duì)偏厚，目前采用的半剛性基層收縮性都比較小，施工工藝水平有很大提高，所以新建半剛性瀝青路面上出現(xiàn)的裂縫絕大多數(shù)是瀝青路面本身產(chǎn)生的溫度裂縫。如何提高瀝青面層的防裂性能、改善瀝青及瀝青混合料的使用品質(zhì)應(yīng)是我們今后研究的主要方向。