半剛性基層瀝青路面低溫開裂機(jī)理及防治措施

摘要：本文針對半剛性基層瀝青路面低溫開裂的不同類型，分析了瀝青路面在外部因素（車輛荷載、溫度、施工工藝等）和內(nèi)部因素（材料和結(jié)構(gòu)）作用下的開裂機(jī)理，提出了相應(yīng)的防治措施，對設(shè)計工和施工有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：半剛性基層 瀝青路面 低溫開裂機(jī)理 防治措施

0 引言

瀝青混凝土面層低溫開裂是路面破壞的主要形式之一，它是指在北方嚴(yán)冬期溫度驟降出現(xiàn)的橫向收縮裂縫。資料表明[1]：如果瀝青路面僅僅是由于溫度變化而引起的裂縫，在沒有水損害的情況下，這種裂縫對路面的使用性能是沒有太大影響的。路面裂縫的危害在于水分不斷從瀝青路面進(jìn)入裂縫中致使路面基層甚至路基軟化，導(dǎo)致路面承載力下降，不僅影響行車舒適性，產(chǎn)生額外的交通噪音，還會影響行車安全使路面使用壽命降低。

1 路面低溫開裂的類型

瀝青路面按裂縫成因可將其分為荷載型裂縫和非荷載型裂縫兩類。

荷載型裂縫主要指剪切型裂縫，由于行車荷載作用下瀝青面層產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生剪切強(qiáng)度超過路面材料的極限抗剪強(qiáng)度就會發(fā)生剪切開裂，這種裂縫在初始階段一般是路表縱向開裂，隨著荷載的反復(fù)作用逐漸發(fā)展為網(wǎng)狀裂縫。

非荷載型裂縫主要是指溫度裂縫，瀝青混凝土與其它材料一樣也具有熱脹冷縮的性質(zhì)，這種裂縫不僅與荷載作用下產(chǎn)生，而且與環(huán)境因素也有很大關(guān)系。一般認(rèn)為瀝青混凝土的低溫開裂有兩種形式：一種是由于氣溫驟降造成面層溫度收縮，在有約束的瀝青層內(nèi)產(chǎn)生溫度應(yīng)力超過瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度時造成的開裂。此類裂縫多從路表面產(chǎn)生，向下發(fā)展。溫度開裂的另一種形式是溫度疲勞裂縫，這是由于瀝青混凝土經(jīng)過長時間的溫度循環(huán)，是瀝青混凝土的極限拉伸應(yīng)力變小，應(yīng)力松弛性能降低，將在溫度應(yīng)力小于其抗拉強(qiáng)度時產(chǎn)生開裂。這種裂縫主要發(fā)生于溫度變化頻繁的溫和地區(qū)，下表1低溫地區(qū)瀝青路面裂縫類型對常見的幾種裂縫做了描述，無論是低溫荷載裂縫、凍脹裂縫還是反射裂縫都是在外因作用下由于瀝青混合料老化所致，而低溫縮裂則是溫度下降時內(nèi)部應(yīng)力所致，屬于材料問題。

另外，我國高等級瀝青路面形式單一，其中半剛性基層瀝青路面占90%以上，半剛性基層的最大優(yōu)點是整體強(qiáng)度高，板體性好，承載能力高，抗疲勞性能強(qiáng)，但是由于半剛性基層材料本身固有的收縮特性使瀝青路面存在著嚴(yán)重的反射裂縫問題，半剛性基層開裂之后，瀝青面層與半剛性基層之間存在受力薄弱點，在溫度、荷載、外界環(huán)境作用下，瀝青面層底部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，面層底部開裂，在荷載反復(fù)作用下裂縫向上擴(kuò)展，直至路表面。

2 引起的路面裂縫的因素

2.1 內(nèi)部因素

2.1.1 路面材料選取對路面開裂的影響

礦料質(zhì)量的好壞直接影響混合料的強(qiáng)度，是瀝青路面早期破壞的主要影響因素。礦料級配碎石的選取方面，中性石料最好，比如玄武巖；石灰?guī)r是一種堿性石料，與瀝青的粘附性好，但其棱角性喪失太快，強(qiáng)度低，抗滑能力差；酸性石料強(qiáng)度，偏脆易碎且與瀝青的粘附性弱，比如花崗巖、石英巖；而粗砂巖、變質(zhì)巖等材料的針片狀顆粒比例較大，攤鋪施工中容易離析且難以壓實，荷載作用下會產(chǎn)生較大的瞬時變形。集料表面的粗糙度對于粘附性的牢固程度比集料酸堿性更為重要。對材料強(qiáng)度的規(guī)定是其洛杉磯磨耗值不小于規(guī)范要求的最小值。對于集料的形狀、構(gòu)造，在相同的密實度和級配下，富于棱角及表面紋理豐富的軋制碎石通常比表面光滑的具有更好的力學(xué)性能。我國規(guī)定:針片狀集料含量應(yīng)不超過粗集料的20%。

為提高瀝青路面的低溫抗裂性，可選用稠度低、溫度敏感性低的瀝青。

2.1.2 路面結(jié)構(gòu)選取對路面開裂的影響

材料的結(jié)構(gòu)決定材料性能。對于碎石材料，其性能受結(jié)構(gòu)的影響更為顯著，根據(jù)粗細(xì)集料分布情況的不同，瀝青混合料結(jié)構(gòu)可劃分為三種物理狀態(tài)：懸浮密實結(jié)構(gòu)，骨架孔隙結(jié)構(gòu)，骨架密實結(jié)構(gòu)。在外界荷載作用下，懸浮密實結(jié)構(gòu)主要靠填充料的壓縮來分散荷載，而骨架空隙和骨架密實結(jié)構(gòu)的荷載主要是通過顆粒之間的嵌擠來傳遞。如果單從力學(xué)角度來講，后兩種結(jié)構(gòu)要比第一種具有更強(qiáng)的抗擾動能力，在優(yōu)選原材料的基礎(chǔ)上骨架密實結(jié)構(gòu)更適合于承受重載交通。

2.2 外部因素

2.2.1 溫度變化引起的裂縫

瀝青材料是一種典型的彈塑性材料，具有很強(qiáng)的溫度敏感性，在較高的溫度條件下，具有良好的應(yīng)力松弛性能，溫度升降產(chǎn)生的變形不至于產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力，但當(dāng)氣溫大幅度下降時，瀝青材料逐漸發(fā)硬并開始收縮。瀝青混合料的應(yīng)力松弛速度不及溫度應(yīng)力的增長，混合料勁度急劇增大；路面中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力或拉應(yīng)變超過瀝青混合料路面材料的抗拉強(qiáng)度時，瀝青路面就會開裂。

2.2.2 荷載因素引起的裂縫

行車荷載對路面施加的作用力大致可分為：由于制動、加速、轉(zhuǎn)向以及克服前進(jìn)中的各種阻力對路面施加的水平力由于路面高低不平，汽車顛簸和汽車機(jī)件振動施加于路面的沖擊力和振動力；由于車輪后方路面之間形成暫時的真空而產(chǎn)生的真空吸力；這些力的反復(fù)作用使瀝青路面會出現(xiàn)各種形式的路面疲勞裂縫。疲勞裂縫的發(fā)展方向通常是由上至下擴(kuò)展至路表面。

2.2.3 施工工藝引起的裂縫

對原材料檢驗不嚴(yán)，對瀝青混合料的配合比控制不夠，特別是礦粉和瀝青用量不準(zhǔn)，使瀝青路面早期出現(xiàn)網(wǎng)裂。瀝青混合料加熱溫度過高， 造成瀝青改性、老化、粘結(jié)力降低，造成路面強(qiáng)度不足，易產(chǎn)生網(wǎng)裂、坑槽等病害。施工季節(jié)不合理，雨季或低溫季節(jié)施工，不能及時成型穩(wěn)定及施工縫未處理好也會引起開裂。

另外，半剛性基層過分的追求密實度，使用過多的細(xì)料和水泥，并且在整型找平過程中用平地機(jī)反復(fù)刮補(bǔ)，將高處的混合料刮到低洼處找平，導(dǎo)致一層薄層與原結(jié)構(gòu)層不能有效地結(jié)合起來，形成薄夾層。在車輛荷載作用下，薄夾層逐漸被推動壓碎松散，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青面層產(chǎn)生局部網(wǎng)狀裂縫。

3 防治措施

（1）路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該做好交通量調(diào)查和預(yù)測工作，使路面結(jié)構(gòu)組合和路面總體強(qiáng)度滿足設(shè)計年限內(nèi)交通荷載的要求。

（2）采用低溫變形能力高的優(yōu)質(zhì)瀝青，并按照要求控制好瀝青混合料的拌和質(zhì)量。

（3）瀝青面層攤鋪前，認(rèn)真檢查下承層的施工質(zhì)量，及時清除泥灰等雜物，處理好軟弱層，保證下承層穩(wěn)定，并噴灑0.7~1.1L/m的透層油，必要時可以按照要求灑石屑或砂，保證層間結(jié)合。

（4）瀝青各層要滿足最小施工厚度的要求，保證上下之間有良好的連接，并從設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)管理上采取相應(yīng)的措施及時排除雨后結(jié)構(gòu)層內(nèi)的積水。

（5）在瀝青面層半剛性基層之間設(shè)置應(yīng)力吸收層，減少半剛性基層頂部的尖端應(yīng)力，從而防治反射裂縫的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

裂縫是在內(nèi)因和外因共同反復(fù)作用下形成的，要提高瀝青路面抗裂性能需從設(shè)計、選材，施工等各個環(huán)節(jié)著手。對于已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫的路面必須對其進(jìn)行及時維修，否則水分會通過裂縫進(jìn)入路面內(nèi)部導(dǎo)致水損壞的產(chǎn)生，低溫內(nèi)部孔隙水結(jié)冰，春融季節(jié)產(chǎn)生凍脹和翻漿現(xiàn)象，使得路面進(jìn)一步惡化。

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