大慶油田半剛性基層瀝青路面裂縫分析及防治

劉慶洋 黃子忠 湯 浡

1大慶油田工程有限公司2東北石油大學電子科學學院

大慶油田半剛性基層瀝青路面裂縫分析及防治

劉慶洋1黃子忠1湯 浡2

1大慶油田工程有限公司2東北石油大學電子科學學院

大慶油田主、次干道路絕大多數是半剛性基層瀝青路面，隨著油田建設規模的擴大和道路使用年限的增長，許多道路路面已經開裂，有的已經影響到道路的正常使用。瀝青路面產生裂縫的原因很復雜，大致可分為溫度裂縫、反射裂縫和疲勞裂縫。為減少裂縫可選擇性能優良、溫度敏感性低的瀝青；在半剛性基層上采用瀝青混合料作隔溫層，減少材料中的溫度梯度，從而減少溫度應力；選擇基層時，應優先選用二灰類基層；在瀝青面層和半剛性基層之間設置一層彈性模量低、韌性好的材料作為應力吸收層；面層與基層之間設置級配碎石層；半剛性基層施工時含水率不能太大，要進行良好的養生，瀝青面層在半剛性基層尚未開裂之前必須鋪筑。對于路面裂縫的成因要引起足夠的重視，路面開裂后要及時處理。

油田道路；半剛性基層；瀝青路面；裂縫；應力；勁度

大慶油田主、次干道路絕大多數是半剛性基層瀝青路面，隨著油田建設規模的擴大和道路使用年限的增長，許多道路路面已經開裂，有的已經影響到道路的正常使用。分析半剛性基層瀝青路面裂縫產生原因并進行防治對油田道路建設具有重大意義。瀝青路面裂縫原因很復雜，大致可分為溫度裂縫、反射裂縫和疲勞裂縫。

1 溫度裂縫

通常認為，瀝青面層的溫度裂縫主要有兩種形式，一種是由于氣溫驟降，瀝青層內產生的溫度應力超過瀝青混凝土的抗拉強度造成的開裂。瀝青混合料具有良好的應力松弛性能，當溫度升降產生變形時一般不會產生過高的溫度應力。但當氣溫驟降時，由于瀝青混合料的應力松弛趕不上溫度應力的增長，超過混合料的極限拉伸應變，便產生開裂。此類裂縫多從路面表面產生，并向下發展。瀝青路面的低溫收縮裂縫是寒冷地區瀝青路面特有的損壞模式。另一種是溫度疲勞裂縫，由于氣溫的反復升降，導致瀝青混合料產生溫度應力疲勞，混合料的極限拉伸應變減小，應力松弛性能降低，最后導致路面在并不太大的溫度應力下發生開裂。此類裂縫主要發生在溫度變化頻繁的溫和地區，且隨著使用年限的延長而不斷增多。

大慶油田位于溫帶大陸性季風氣候區，四季明顯，溫差較大。油田內的瀝青路面由于溫差引起的開裂現象較多，為了減少溫度裂縫，可以采取以下措施：

（1）選擇性能優良、溫度敏感性低的瀝青。為減小瀝青的溫度敏感性，應選用針入度較大的瀝青作面層，也可以用橡膠瀝青或聚合物改性瀝青在瀝青混凝土表面作一封層。

（2）在半剛性基層上采用瀝青混合料作隔溫層，減少材料中的溫度梯度，從而減少溫度應力。

（3）半剛性基層完成后，保養期一過應盡快鋪筑隔溫層或較厚的瀝青面層。

（4）選擇基層時，應優先選用二灰類基層。水泥穩定碎石的抗溫縮能力略差一些，因而適用于日溫差變化不大的地區。

（5）采用合理的級配和先進的施工工藝，以提高路面的低溫抗裂性能。

2 反射裂縫

半剛性基層屬于水硬性材料，在基層鋪筑完成后其內部仍在進行的物理化學作用使得基層的強度和剛度不斷增長。這類材料的收縮受疲勞特性以及施工條件所限，可能導致基層發生干縮和溫縮裂縫，但下臥層與該層摩阻作用產生的約束力抑制了其收縮，因而基層板體將產生拉應力，當這一應力超過基層抗拉應力時板體就會斷裂，產生橫向裂縫。目前大多數路面結構都是強基薄面型的，較厚的半剛性基層上的瀝青面層一般比較薄，半剛性基層開裂后，會引起瀝青面層底部應力集中，致使面層底部開裂，之后裂縫不斷地向上擴展最終形成反射裂縫。此外當車輛駛過基層裂縫時，瀝青面層受到剪切與彎拉作用，行車荷載的反復作用也造成裂縫的產生和發展。顯然，反射裂縫的產生首先要歸因于半剛性基層的開裂。

從路面結構設計方面保證路面不發生荷載型裂縫是減輕半剛性路面反射裂縫的首要措施。根據力學分析，影響半剛性基層底面拉應力大小的主要因素包括面層厚度、基層厚度、基層的彈性模量和下承層的彈性模量等。設計時要根據交通量，特別是輪荷載和當量軸載及容許彎沉值計算出合理的半剛性基層厚度，同時從施工的可操作性和結構的穩定性考慮，基層最小厚度不宜小于15 cm。如果半剛性基層過薄，容易因承載力不足而產生破壞。因此可通過增加基層厚度來提高路面承載力以減少反射裂縫，但增加厚度不宜過量，因為基層達到一定厚度時，再增加其厚度效果遠不如薄時明顯，并且不經濟。為了減少半剛性基層的反射裂縫，還可以從以下幾個方面進行改善：

（1）在瀝青面層和半剛性基層之間設置一層彈性模量低、韌性好的材料作為應力吸收層，以吸收半剛性基層裂縫。這是國內外工程實踐中應用較多的一項工程措施。

（2）增設土工織物或格柵。土工織物中間層能大幅度增強瀝青面層抗裂強度，其對瀝青面層底具有箍固作用。

（3）面層與基層之間設置級配碎石層。目前這種方法在國內的應用并不多，但是在其他國家已經廣泛應用，而且效果也比較好。

（4）半剛性基層施工時含水率不能太大，要進行良好的養生，瀝青面層在半剛性基層尚未開裂之前必須鋪筑。

（5）通過半剛性基層材料的合理設計，如調整結合料的用量與比例，增加粗骨料含量并嚴格設計級配，盡可能地減小其溫縮和干縮系數，增加半剛性基層材料的抗裂性能。

3 疲勞裂縫

隨著傳統的疲勞破壞理論的發展，人們認識到路面的破壞是由于荷載在路面材料中引起的重復加載，疲勞應力超過了路面混合料的抗拉強度而發生的。

道路上的行車也是造成路面結構破損、路基失穩的主要因素。隨著交通量的增加、軸載的增大和公路上行車速度的提高，交通荷載的振動特性以及交通參數確定的合理性等交通荷載因素對瀝青混凝土路面早期破損的影響是不容忽視的。

瀝青路面的疲勞裂縫主要受荷載條件、環境條件及材料性質的影響。荷載條件和環境條件的影響是不可控制的，所以主要關心的是材料性質的影響。國內外的許多試驗表明，瀝青混合料的勁度是影響疲勞壽命的重要參數。根據試驗，在控制加載模式中，疲勞壽命隨著混合料勁度的增加而增加，這是因為每次加載產生的應變較小，因此重復作用的次數就多。而在控制應變的加載模式中，疲勞壽命隨混合料勁度的增加而降低，這是因為勁度高，每次重復加載的應力就大，疲勞壽命就少。所以一切與勁度模量有關的因素都將直接影響到瀝青混合料的疲勞壽命，如瀝青用量、種類、稠度等。

瀝青混合料的空隙率對疲勞壽命的影響也十分明顯，不論是哪種加載模式，降低空隙率都能延長混合料的疲勞壽命，所以一般密級配混合料比開級配混合料有較長的疲勞壽命。此外集料的表面紋理、形狀和級配都對混合料的疲勞壽命有一定的影響。

瀝青路面的疲勞裂縫主要表現形式為網裂和龜裂。在車輪的長期作用下，網裂或龜裂會順著公路延伸方向呈狹長帶分布。有的局部下沉近似圓形分布，有的路面基層嚴重下沉呈條狀分布。疲勞開裂的裂縫寬度一般在3 mm以上，出現在面積為1 m2以上的網狀裂縫上。

輕微龜裂可以不處理。當取芯證明面層龜裂已影響到瀝青中面層時，可按3.75 m寬，刨10 cm瀝青面層，采用10 cm厚中料式瀝青混凝土分層鋪筑恢復至罩面前路面高程。鋪筑瀝青混凝土之前，底面噴黏層油，側壁涂刷改性瀝青聚合物密封材料2～3遍，厚度控制在3 mm。

4 結語

半剛性基層路面是目前大慶油田經常采用的路面結構形式。通常認為半剛性基層具有板體性強，承載能力和抗變形能力高，抗凍性好，造價低等優點。

半剛性基層瀝青路面結構開裂后破壞了路面的連續性和整體性，導致路面承載力下降，嚴重影響路面的使用性能，并加速了路面的破壞。因此，對于路面裂縫的成因要引起足夠的重視，路面開裂后要及時處理。

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.042

劉慶洋：工程師，2008年畢業于東南大學橋梁與隧道工程專業，從事道橋設計工作。

2015-04-21

（0459）5903757、liuq8221@163.com