半剛性基層瀝青路面反射裂縫的成因與控制

摘要：半剛性基層瀝青路面由于具有強(qiáng)度高、造價(jià)低、整體性及水穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)公路建設(shè)中得到了廣泛的運(yùn)用；但半剛性基層在運(yùn)營(yíng)期間易產(chǎn)生干縮裂縫和低溫收縮裂縫，在交通荷載和溫度荷載的重復(fù)作用下，半剛性基層的這種收縮裂縫很容易擴(kuò)展到瀝青面層而形成反射裂縫(ReflectionCrack)。反射裂縫一旦產(chǎn)生，不僅影響路面的美觀和行車舒適性，更重要的是大大的縮短了路面的使用壽命。本文通過(guò)對(duì)半剛性基層材料的性能、反射裂縫形成機(jī)理的分析，指出了防治瀝青路面反射裂縫應(yīng)從選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀⒔Y(jié)合實(shí)際情況和有效的技術(shù)措施等方面著手，來(lái)防止反射裂縫的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：瀝青路面 反射裂縫 機(jī)理 防治措施

1 反射裂縫產(chǎn)生的原因和對(duì)路面的危害

1.1 反射裂縫產(chǎn)生的原因

由于半剛性基層材料屬于水硬性材料，當(dāng)基層建成以后，基層內(nèi)部的物理化學(xué)反應(yīng)要持續(xù)一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，基層材料的強(qiáng)度和剛度也隨著齡期的增長(zhǎng)而不斷加強(qiáng)。所以這一類材料對(duì)溫度和濕度的變化都比較敏感。如果施工條件不好，就有可能導(dǎo)致基層產(chǎn)生干縮和溫縮裂縫，而其下臥層與該層之間的磨阻作用抑制了其收縮，從而在該層內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)則發(fā)生斷裂。這種裂縫一般發(fā)生在使用期間的初冬季節(jié)，也可能發(fā)生在施工過(guò)程中基層鋪筑后到尚未覆蓋瀝青面層之前。

當(dāng)半剛性基層開裂以后，在瀝青面層與半剛性基層層間的裂縫處形成一個(gè)薄弱點(diǎn)，在使用過(guò)程中，由于荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力的共同作用下，在該點(diǎn)的瀝青面層底面產(chǎn)生應(yīng)力集中，如瀝青面層較薄則會(huì)引起開裂。隨之，在行車和大氣因素的反復(fù)作用下，裂縫逐漸向上擴(kuò)展，直至瀝青表面。這種裂縫通常稱為反射裂縫。反射裂縫一般為橫向裂縫，其間距大小取決于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、瀝青面層的厚度，以及半剛性基層和瀝青層材料的抗裂性能。當(dāng)日溫差變化較大，瀝青面層較薄和半剛性基層和瀝青面層材料的抗裂性能較差時(shí)，則裂縫間距較小；反之，則較大。

1.2 反射裂縫對(duì)路面的危害

反射裂縫會(huì)對(duì)路面性能和耐久性產(chǎn)生不利的影響。這些不利影響包括：①防水性降低。路表出現(xiàn)任何裂縫，都會(huì)使路表水有機(jī)會(huì)進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，甚至進(jìn)入對(duì)濕度敏感的路基土中。②引起路基過(guò)大壓應(yīng)力。由于存在裂縫，造成路面板體不連續(xù)，在行車荷載作用下將加大板體邊緣的變形，從而在裂縫處傳遞過(guò)大壓力至路基頂面。③增大路面應(yīng)力和變形。上述的路面結(jié)構(gòu)板體邊緣變形，會(huì)在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)(尤其基層)產(chǎn)生很大的應(yīng)力和變形，在行車荷載作用下將縮短這些結(jié)構(gòu)層的壽命。④磨耗層沿裂縫的破壞。在車輛、水分、霜凍等因素的綜合作用下，磨耗層常會(huì)沿裂縫發(fā)生骨料或小塊瀝青的剝落。

反射裂縫不僅使路面使用性能老化，影響行車舒適性，而且導(dǎo)致路表水下浸，影響到路基的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。更為重要的是，在行車荷載反復(fù)作用和周期性變化環(huán)境溫度的影響下，常常使得裂縫迅速向四周擴(kuò)展，大大縮短了罩面層的使用壽命。因此，反射裂縫是高速公路瀝青路面所面臨的一大技術(shù)難題。影響半剛性基層瀝青路面開裂的因素很多，各種因素之間的相互作用也十分復(fù)雜，只有進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)踐總結(jié)，才能找準(zhǔn)原因，并有針對(duì)性地進(jìn)行防治。

2 預(yù)防半剛性基層瀝青路面反射裂縫的主要措施

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)減少半剛性路面裂縫的主要思路是：①使用防裂效果更好的面層或基層材料；②通過(guò)增加瀝青面層厚度以防止基層反射裂縫；③從結(jié)構(gòu)本身入手防止和減少半剛性瀝青路面基層的反射裂縫。在瀝青面層和半剛性基層之間設(shè)置一層彈性模量低、韌性好的材料作為應(yīng)力吸收層以吸收半剛性基層裂縫，目前這種方法是國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐中用得較多的一項(xiàng)工程措施。針對(duì)半剛性基層瀝青路面反射裂縫采取的具體措施如下：

2.1 增加瀝青面層的厚度

通過(guò)增加瀝青面層厚度以防止基層反射裂縫，國(guó)際上通用的結(jié)論是需要將瀝青面層增加至15～25cm。增加加鋪層厚度，一方面可以減少舊面層的溫度變化，并降低加鋪層的拉應(yīng)力，另一方面可以增加路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，降低接縫處的彎沉差，減少加鋪層的剪切應(yīng)力。同時(shí)，可以延長(zhǎng)其疲勞斷裂壽命。

但單純依靠增加加鋪層厚度的方法有其弊端：一方面增加加鋪層厚度可能會(huì)受到路面標(biāo)高的限制；另一方面增加加鋪層厚度，必將大幅度增加路面造價(jià)，而且在夏季高溫時(shí)瀝青混合料高溫蠕變易產(chǎn)生車轍，同時(shí)會(huì)削弱由于舊水泥混凝土板作基層而產(chǎn)生的強(qiáng)基薄面的優(yōu)勢(shì)，故而這一方法有很大的局限性。

2.2 進(jìn)行半剛性材料的合理組成設(shè)計(jì)

通過(guò)進(jìn)行半剛性基層材料的合理設(shè)計(jì)，如：調(diào)整結(jié)合料用量與比例，增加粗骨料含量并嚴(yán)格設(shè)計(jì)級(jí)配，以盡可能的減小其溫縮和干縮系數(shù)，增加半剛性基層材料的抗裂性能，但是不能從根本上消除半剛性材料的開裂而導(dǎo)致的路面反射裂縫。

2.3 在面層與基層之間增加級(jí)配碎石層

采用具有一定厚度的優(yōu)質(zhì)級(jí)配碎石作為上基層，而用半剛性材料作為下臥層，這種上柔下剛式的“組合基層”在很大程度上能夠防止和減少半剛性基層反射裂縫，同時(shí)級(jí)配碎石基層還能充當(dāng)具有排水功能的基層。級(jí)配碎石層是由特粗式級(jí)配瀝青碎石混合料所組成，具有20%～35%的空隙率，它提供了一種散逸運(yùn)動(dòng)的方式，能夠把交通荷載與環(huán)境溫度作用下所引起的原水泥混凝土路面板產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)消散掉。目前國(guó)內(nèi)將級(jí)配碎石作為半剛性基層與瀝青面層之間的中間層的設(shè)尚不多見(jiàn)，但在美國(guó)、澳大利亞以及南非已作為減少瀝青路面反射裂縫的措施獲得了較多應(yīng)用，且效果較好。但是與其他方法相比，增加級(jí)配碎石層的經(jīng)濟(jì)性較差。

2.4 加鋪土工織物或格柵

包括聚丙烯或聚醋織物和聚乙烯、聚丙烯或聚醋無(wú)紡織物。無(wú)紡織物厚度為0.4mm～4mm，模量為10MPa～160MPa，臨界應(yīng)力5MPa～20MPa，臨界應(yīng)變40%～140%。織物的厚度較薄些，為0.4mm～0.7mm，模量則高些，為400MPa～1500Mpa，臨界應(yīng)力和應(yīng)變相應(yīng)為40MPa～140MPa和8%～15%。無(wú)紡織物夾層的主要作用與橡膠瀝青應(yīng)力吸附夾層相似。而織物由于模量稍高，可對(duì)加鋪層起少量加筋作用。

在半剛性基層頂或?yàn)r青之間設(shè)置各種土工合成材料，可以提高瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度與抗變形能力。八十年代初，英國(guó)諾丁漢大學(xué)布朗教授經(jīng)過(guò)三、四年的試驗(yàn)和研究將塑料格柵應(yīng)用于瀝青路面。他通過(guò)對(duì)比加鋪和未加鋪土工格柵的瀝青路面，認(rèn)為前者比后者可以推遲疲勞裂縫出現(xiàn)達(dá)19倍，可以減少車轍50%。

土工織物中間層對(duì)瀝青面層底的箍固作用大大增強(qiáng)了瀝青面層的抗裂強(qiáng)度，土工織物中間層國(guó)外自80年代以來(lái)廣泛使用，多用于具有嚴(yán)重裂縫舊瀝青路面或水泥路面上加鋪瀝青新面層的中間防裂層，品種多為編織尼龍、無(wú)紡聚丙烯和玻璃纖維幾種，其中以無(wú)紡聚內(nèi)烯(Petromat)效果較好，總的研究結(jié)果表明防裂效果有好有壞，一般來(lái)說(shuō)土工織物中間層對(duì)于垂直差動(dòng)位移和水平位移較大(溫縮嚴(yán)重)的情況效果不大，此外其防裂效果可能較短暫。

在選擇夾層類型時(shí)，應(yīng)對(duì)誘發(fā)反射裂縫的主要原因以及不同夾層減緩反射裂縫的效果進(jìn)行具體分析。

2.5 基層預(yù)切縫

基層預(yù)切縫方法是在鋪瀝青面層前將半剛性基層按一定間距設(shè)置預(yù)鋸縫，且設(shè)法讓這種裂縫僅保留在基層本層，而不反射到面層。基層采用預(yù)鋸縫來(lái)減少瀝青面層反射裂縫的措施在國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐中有一定的應(yīng)用，且國(guó)外應(yīng)用也較早，在鋸縫防裂基礎(chǔ)上鋪設(shè)一定寬度土工織物，既起到了防滲作用，又在一定程度上緩解了裂縫處瀝青面層應(yīng)力集中，從而延緩或消除了面層反射裂縫的產(chǎn)生。

實(shí)踐證明，這些措施達(dá)到了一定的防裂效果，但是各種防裂效果的防裂效果和機(jī)理不相同，且各類措施防裂效果很有限。因此，如何采取措施以較少或延緩路面的反射裂縫還應(yīng)根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，綜合利用多種防裂措施與方法以達(dá)到最佳的防裂效果。