瀝青路面裂紋的形成機理及擴展行為

吳 博

（邢臺市公路工程質量監督站，河北 邢臺 054000）

0 引言

邢臺地區的公路交通網絡較完善，主要交通干線有106國道、107國道、308國道、邢清線、邢德線、邢左線、京珠高速公路等。大部分公路采取的是次高級或高級瀝青路面形式。本文以邢清線為例，對瀝青路面裂紋形成機理及擴展行為進行研究。選擇邢清公路樁號為K32+500~K35+700，全長3 200m的范圍，作為研究試驗段。在該試驗段內，公路路面寬9m，兩側各設置1m土路肩，采取瀝青油面，屬于二級公路。在對邢清公路試驗段檢查時，發現該線路中的瀝青路面存在較多破損，對該瀝青路面裂縫的形成機理進行了研究。

1 瀝青路面裂紋的破損形式及其形成機理分析

1.1 瀝青路面裂縫的破損形式

裂縫屬于較常見的影響瀝青路面質量結構的破損形式。邢清公路裂縫較為常見。按裂縫的表現形式，可分為橫向裂縫、縱向裂縫與網狀裂縫三種；按裂縫的成因，可分為荷載裂縫和非荷載裂縫。荷載裂縫是指，在車輛通行過程中，路面承載力或強度不足時，導致路面無法承擔車輛荷載，或因路面結構設計不當、施工質量較差或車輛超載等，導致瀝青面層拉應力超過其疲勞程度，最終導致瀝青路面斷裂。在車輛荷載影響下，裂縫逐漸擴展。非荷載裂縫成因較多，如反射性裂縫、溫縮裂縫等，主要以橫向裂縫為主。

（1）縱向裂縫

縱向裂縫主要表現為沿行車方向所產生的單根裂縫，一般縱向裂縫方向與路面中心線基本保持平行。若路基壓實不足，在外部荷載作用下，路基會出現不均勻沉降問題。在進行瀝青混合料攤鋪作業時，缺乏對縱向接縫的有效處理，導致路面過早滲水或路面壓實度不足等問題，在外部荷載的影響下，則會出現縱向裂縫。公路施工過程中，地基與填土在橫向上的不均勻性是無法避免的，也就是說縱向裂縫的產生是無法避免的，但如果縱向裂縫產生過早，且裂縫發展較快，則會對公路使用功能及使用壽命造成嚴重影響。

（2）橫向裂縫

橫向裂縫是指與路面行車方向大致垂直分布的單根裂縫，引起橫向裂縫的原因較多，如地基不均勻沉降，橫向接縫處理不當等。大部分瀝青路面的橫向裂縫屬于溫度裂縫，裂縫多是由瀝青面層表面開裂，并不斷向路基擴展而形成的。邢清公路中，可見橫向裂縫多貫穿整個路面寬度，且每隔一段距離就會有一條裂縫，間距多在6~10m之間。

（3）反射裂縫

反射裂縫是指瀝青路面下鋪層跨裂縫，或接縫位置施加給瀝青面層應力超過材料抗拉強度，而引起瀝青面層底面出現開裂。這類裂縫不斷向上擴展，并穿透面層，并最終反應在表面。

（4）龜裂

瀝青路面龜裂又被稱為網裂，指裂縫與裂縫間相互連接形成的一種不規則裂縫。龜裂多在車輛荷載作用下，路面產生較大的撓度及變形，路面材料在疲勞破壞下產生的一種裂縫，也被稱為疲勞裂縫。邢清公路中，龜裂主要表現為局部龜裂，多分布于行車道上。

（5）塊裂

瀝青面層寬度較大時，產生橫向裂縫的同時會伴隨著縱向裂縫的出現，并形成塊裂現象。塊裂多表現為不規則、大塊、多邊形的裂縫。塊裂產生的主要原因是瀝青混合料中應用了大量的親水性集料，導致瀝青加速老化，彈性較差，在車輛荷載影響下產生裂縫。

（6）滑移裂縫

滑移裂縫是在車輛加速、轉彎、剎車過程中突然增加的水平力，并作用于瀝青路面，在路面上形成一種裂縫，這種裂縫多表現為新月狀或U形。邢清公路中，在車輛剎車、加速與轉彎區域，多存在滑移裂縫。

1.2 瀝青路面裂縫的形成機理

1.2.1 縱向裂縫的形成機理

產生瀝青路面縱向裂縫的原因較多，形成機理為：在瀝青公路的施工過程中，換填土沒有碾壓密實或換填土兩側密實度不均勻，而引起公路路基不均勻沉陷等并產生裂縫；在進行公路改建時，新施工區域與舊公路在相接位置缺乏科學有效處理，引起路基不均勻沉陷等；尤其在公路挖填結合位置缺乏有效的處理，導致壓實度不足等，在沉陷作用下產生縱向裂縫。

在雨水的侵蝕下，公路路基承載力降低，換填土含水量較大，凍脹作用下形成路面裂縫；長期的車輛荷載，引起縱向裂縫。瀝青路面中還有一種荷載型縱向裂縫，稱為瀝青路面向下擴展裂紋，這種裂縫由瀝青路面表面向瀝青面層內部擴展。瀝青路面向下擴展裂紋形成機理為：車輛超載時在車輛輪胎作用下產生表面拉應力；瀝青路面表面溫度較高，導致瀝青路面面層剛度較低，容易出現車轍，引起縱向裂縫；公路應用的瀝青膠結物逐漸硬化或老化；瀝青混合料在施工過程中應用的集料質量偏低，出現離析現象，或瀝青路面壓實不均勻。

1.2.2 橫向裂縫的形成機理

橫向裂縫形成機理為：公路路基土體不均勻沉降引起橫向裂縫；剛性路面接縫或半剛性路基裂縫影響下產生橫向裂縫；瀝青面層在自然環境影響下出現老化，降低其極限拉伸，并在外界荷載下引起裂縫；溫度變化是瀝青路面橫向裂縫產生的重要原因。溫度裂縫主要為低溫收縮或基層收縮引起。如果在瀝青路面的施工過程中，外界溫度變化較大，在瀝青混凝土內外部溫度應力作用下，會引起裂縫問題。溫度裂縫首先出現在瀝青混合料抗拉強度的薄弱點，瀝青公路面層出現裂縫后，裂縫逐漸發展并最終貫徹整個瀝青面層。瀝青路面低溫抗裂性能直接影響著瀝青公路施工質量。

1.2.3 反射裂縫的形成機理

反射裂縫是瀝青路面下鋪層跨裂縫或接縫位置施加給瀝青面層應力超過材料抗拉強度而引起的裂縫問題，其形成機理為：在溫度發生變化時，瀝青接縫或裂縫位置會產生拉伸應力，如拉伸應力超出瀝青面層極限拉伸值，則會引起裂縫問題，在車輛荷載下引起裂縫擴展。在溫度應力或交通荷載作用下引起的剪切疲勞與受拉疲勞是反射裂縫的主要形成機理。反射裂縫擴展速率與公路基層裂縫率及半剛性基層板長存在著緊密聯系。公路施工中應用的瀝青等級、礦料粒徑、孔隙率、瀝青面層厚度等因素，均會使裂縫路面疲勞而影響其使用壽命。提高公路基層材料柔韌性是預防反射裂縫的有效措施。

1.2.4 龜裂的形成機理

公路瀝青路面老化、路面整體強度不足，在車輛荷載影響下產生裂縫是龜裂形成的主要機理。龜裂屬于相互交錯疲勞的裂縫。龜裂剛出現時，多表現為沿行車輪跡出現縱向裂縫，縱向裂縫逐漸發展出斜向連接縫與橫向連接縫，最終形成網狀裂縫。龜裂多是因公路瀝青老化，瀝青松弛性能不足，在荷載反復作用下而引起；公路基層的排水設計較差，低溫作用下導致瀝青混合料變脆，也是引起龜裂的原因之一。邢清公路中存在局部龜裂的問題，雨季及春融時，龜裂問題較嚴重。

1.2.5 塊狀裂縫的形成機理

瀝青基層與面層集料離析、瀝青路面壓實不均、路面結構設計不合理、瀝青混凝土老化或低溫作用等，是引起塊狀裂縫形成的重要因素。如荷載拉應力或低溫拉應力超過瀝青混凝土極限抗拉強度時，會引起塊狀裂縫。公路施工過程中，如未按照施工規范進行操作，引起公路基層與面層厚度及壓實度不符合設計要求，在車輛荷載作用下會產生塊狀裂縫。

1.2.6 滑移裂縫的形成機理

滑移裂縫多是因瀝青面層與基層結合不良引起，如在鋪設混凝土下封層前，沒有將基層頂面清理，會影響封層與基層黏結力，在車輛荷載下導致卷皮、脫皮等問題；當外力超出瀝青混凝土面層抗剪強度及抗拉強度時，瀝青面層多會產生滑移裂縫。

2 瀝青路面裂紋的擴展行為研究

由于瀝青路面長期暴露在自然環境中且受到車輛荷載作用，導致其受荷狀態十分復雜。為研究瀝青路面結構中存在的表面裂紋及基層底面裂紋問題，應用模擬程序APCPPS2D，建立瀝青路面結構分析模型，如圖1所示。

圖1 瀝青路面結構分析模型

選擇邢清公路為研究對象，根據實際情況建立分析模型，模型初始表面裂紋長度設計為3cm，初始基層底面裂紋長度設計為5cm，表面裂紋到車輛荷載中心為45cm，設垂直荷載P=0.7MPa，水平荷載值為0.21MPa。模型計算參數及計算表見表1。

表1 模型計算參數表

2.1 荷載作用位置對多裂紋擴展的影響

車輛運行過程中，其荷載作用的位置相對公路瀝青路面表面裂紋與基層裂紋位置是不同的，通過計算車輛荷載作用于瀝青路面不同表層與基層裂紋位置時其復合型應力強度因子與裂紋起裂角，可知交通荷載在基層底面裂紋正上方位置時，其復合型應力強度值最大。研究發現交通荷載通過裂紋的過程中，其基層裂紋起裂角會在26.015~24.480°間變化，說明荷載對裂紋起裂角存在一定影響。

2.2 面層與基層對裂紋擴展的影響

選擇瀝青公路面層彈性模量為3 000MPa，基層彈性模型為2 000MPa，進行復合型應力強度因子研究發現，應力強度因子在增加瀝青混凝土面層厚度與基層厚度的基礎上出現了近似線性減少，說明面層與基層越薄，越容易產生開裂。在荷載及溫度應力的共同作用下，容易引起瀝青路面表面裂紋及基層底面裂紋，多表現為疲勞開裂。

2.3 面層模量對裂紋擴展的影響

選擇16cm面層與25cm基層，基層彈性模量為2 000MPa，研究不同面層模量對裂紋擴展的影響，獲得不同面層模量下的裂紋值，如表2所示。

表2 不同面層模量下的裂紋值

研究結果顯示，隨著彈性模量增加，裂紋應力強度值增加。

2.4 基層模量對裂紋擴展的影響

研究基層模量對裂紋擴展的影響時發現，在基層彈性模量增加的過程中，應力強度因子逐漸降低，并且降低幅度較大。由此可知，如果基層模量較低，瀝青路面面層存在裂紋，則容易出現疲勞擴展，引起質量問題。

3 結語

瀝青路面是我國主要的公路路面形式，在道路施工中應用十分廣泛，但其在公路的運行過程中，容易出現質量問題。裂縫是公路施工及運行中常見的質量問題。本文以邢清公路為研究對象，對瀝青路面主要的裂縫類型及其形成機理進行了研究，并應用模擬程序APCPPS2D建立分析模型，對瀝青路面裂紋擴展行為進行了分析。在掌握裂紋形成機理及擴展行為的基礎上，采取相應措施，可以有效提高公路施工質量及運行效益。

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