瀝青路面Top—Down裂縫產生的原因分析

牛力強

摘要：為深入了解TopDown裂縫病害成因機理，以某高速公路發生的裂縫病害為例，通過路面結構力學分析認為交通荷載作用不是造成瀝青路面自上而下開裂的主要原因，通過路面溫度場實測、瀝青老化試驗、不同老化程度瀝青混合料的低溫彎曲應變和彎曲勁度模量分析，認為溫度疲勞作用是造成瀝青路面自上而下開裂的主要原因，瀝青路面表面的拉應力則加劇了這種開裂。

關鍵詞：瀝青路面；自上而下裂縫；溫度疲勞；低溫縮裂

中圖分類號：U416.21文獻標志碼：B

Abstract： In order to understand the cause of the topdown crack disease， an expressway was taken as an example. The mechanical analysis of pavement structure shows that the traffic load is not the main reason that causes the asphalt pavement cracking from top to bottom. Temperature field test， asphalt aging test， lowtemperature bending strain and bending stiffness modulus of asphalt mixture with different degrees of aging were conducted. The results show that the temperature fatigue is the main reason for the cracking of asphalt pavement from top to bottom， and the tensile stress on the surface makes it exacerbated.

Key words： asphalt pavement； topdown crack； temperature fatigue； lowtemperature crack

0引言

開裂是瀝青路面破壞的主要形式之一，包括車輛荷載疲勞作用引發的龜裂、基層反射裂縫、路基沉降引發的縱向裂縫以及低溫收縮引起的橫向裂縫等，除低溫縮裂外一般從路面下部向上發展。近年來，由于瀝青路面結構的逐步改良，出現了一種自上而下型式的TopDown裂縫。國外研究認為，TopDown表面裂縫是由高輪壓導致的表面拉應力、低溫縮裂和路面梯度溫度變化引發的溫度應力以及面層瀝青材料的不斷老化造成的[15]。本文以某高速公路的裂縫病害為例，對瀝青路面出現的TopDown表面裂縫的成因、機理加以探討。

1某高速公路裂縫形式調查

某高速公路于2005年建成通車，至今運營已超過7年，路面結構從上至下為：4 cm AC16（5%SBS）改性瀝青混凝土、6 cm AC20 （4%SBS）改性瀝青混凝土、6 cm AC20瀝青混凝土、32 cm水泥穩定碎石、20 cm水泥穩定砂礫。瀝青面層總厚度為16 cm。2012年的路況調查表明：該高速公路路面裂縫嚴重，除去上下貫通的半剛性基層反射裂縫和疲勞開裂外，還有一種自上而下的裂縫，如圖1、2所示。圖1為重度橫向裂縫病害，只發生在上、中面層，下面層良好；圖2為龜裂病害，圖2（a）中上、中面層破壞嚴重，下面層良好；圖2（b）的病害形式是僅上面層發生了龜裂，中、下面層良好。上述3種類型裂縫的共同特點是裂縫形狀不規則，既有橫向、縱向裂縫，也有龜裂，而且瀝青下面層和基層均沒有開裂。

2病害原因分析

2.1車輪疲勞荷載對路面開裂的影響分析

圖3為路面瀝青面層在車輪下的受力狀態，車輪作用于基層層底B點之上時，B點受到拉應力作用，車輪駛過一定距離后應力方向旋轉，B點承受壓應力作用；路表面A點則相反，車輪作用時承受壓應力，車輪駛過后變為受拉。路面在整個使用過程中長期處于應力（應變）重復循環變化的狀態[67]。

本文按標準雙圓荷載采用BISAR軟件計算該高速公路路面結構A、B點的受力變化（圖4、5），車輪前進方向為水平方向。由圖4、5可以看出，路表A點和基層底面B點都存在壓、拉應力變換，A點最大壓應力是最大拉應力的約35倍，B點最大拉應力是最大壓應力的約13倍，因此A點主要承受壓應力作用，而B點主要承受拉應力作用。由于路面材料的抗壓強度遠大于抗拉強度，且面層底部B點在車輪下所受的拉應力較之表面A點在車輪駛近或駛過后產生的拉應力要大得多，因此在荷載重復作用下路面裂縫通常從面層底部開始發生[810]。由此可見，交通荷載作用不是造成瀝青路面自上而下開裂的主要原因。

2.2溫度對路面開裂的影響分析

該高速公路所處區域四季分明，年平均氣溫10 ℃左右，1月份平均氣溫最低-6.5 ℃，極端最低氣溫-27.4 ℃，7月份最高平均氣溫23.8 ℃，極端最高氣溫39.9 ℃。圖6為該高速公路2012年10月6日路面結構不同深度處實測溫度數據。

一般認為，瀝青路面的開裂是由于氣溫驟降造成面層溫度收縮，在瀝青層內產生的溫度梯度應力超過瀝青混凝土的抗拉強度所引發的。由于瀝青混凝土面層寬度小，收縮所受到的約束力相對于長度小得多，因此低溫裂縫主要為橫向裂縫，多從路面表面產生，向下發展。從圖6、7可以看出路面瀝青層晝夜溫度最大變化超過34 ℃/12 h，以表面層溫度變化最為劇烈，半剛性基層溫度變化平緩，最大變化約3 ℃/12 h；而相應的氣溫變化則為7 ℃/12 h左右。實際上氣溫變化主要受太陽輻射和冷空氣影響，太陽輻射受地球自轉和地球圍繞太陽公轉影響，變化緩慢，因此氣溫急劇變化的最主要影響來自于冷空氣寒流的到來。該高速所在區域冬天受寒流影響，最大氣溫降幅也未超過10 ℃/12 h，遠小于晝夜溫度變化帶來的影響，因此可以確認，不是因為氣溫驟降導致瀝青層內產生溫度梯度應力超過瀝青混凝土的抗拉強度而造成開裂[1112]。

瀝青路面在使用過程中受到光、熱、氧、風、雨、溫度變化等自然條件的作用，隨著時間的推移瀝青發生蒸發、脫氫、縮合、氧化等，瀝青的膠體結構、物理化學性質發生不可逆變化，通常表現為軟化點升高、針入度下降、延度減小，最終導致瀝青硬化變脆，喪失原有的流變性、柔韌性和粘附性[1318]。不同老化方式下的瀝青三大指標試驗結果如表1所示。

從表1可見，AH70瀝青和PG7022瀝青經過短期老化、長期老化后，針入度降低，延度變小。這表明：隨著老化的深入進行，基質瀝青和改性瀝青的流變性不斷降低，變硬變脆。其中PG7022改性瀝青還會因老化的進行出現軟化點不斷降低的現象。

長時間的溫度循環疲勞作用會加速瀝青混凝土的老化[1920]。圖6、7也說明溫度梯度循環疲勞作用在日復一日、年復一年地不斷發生，而且變化幅度劇烈。受瀝青老化影響，瀝青混合料路用性能會不斷衰減。在周期性的變化劇烈的溫度梯度疲勞作用下，瀝青路面的松弛性能將不斷降低，特別是在溫度低的寒冷季節，瀝青路面的極限拉伸應變降至低點，極易產生開裂。本文用上述PG7022改性瀝青作為膠結料成型瀝青混合料，進行小梁低溫彎曲試驗，結果如圖8所示。圖8表明：隨著老化的不斷進行，瀝青混合料的低溫彎曲應變不斷減小，彎曲勁度模量不斷增大，流變性逐步衰減。

由于瀝青路面材料上部受老化影響更大，其延展性和松弛性能下降遠遠超過下部，同時在瀝青路面表面又存在由車輪荷載不斷產生的拉伸—壓縮反復疲勞作用（圖4、5），在長期梯度形態的應力交疊變化和溫度疲勞共同作用下，瀝青路面從表面向下不斷地梯度硬化。當荷載重復作用超過一定次數以后，路面內產生的應力就會超過強度下降后的結構抗力，造成TopDown裂縫產生。

3結語

通過本文分析得出以下結論。

（1）溫度疲勞作用對瀝青路面開裂的影響遠遠超過溫度驟降的低溫縮裂作用。

（2）瀝青路面溫度疲勞作用造成的加速老化是形成瀝青路面自上而下開裂的主因。

溫度疲勞裂縫在世界范圍內廣泛存在，對道路設計者而言，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仍是今后研究的主要方向。一個可行的辦法是通過選擇瀝青混合料類型來減少溫度疲勞開裂，例如SMA就具有較好的低溫抗裂性能，對減少低溫開裂有明顯效果；也可選擇大粒徑瀝青混合料，通過提高結構抗力、減少瀝青含量來減緩開裂。

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[責任編輯：王玉玲]