水泥路面瀝青加鋪層的裂縫研究★

喬 喚 小

(太原市市政工程總公司，山西 太原　030002)

1　概述

由于水泥路面具有穩定性好、載荷擴展能力強、剛性大以及使用壽命很長等優點，成為許多高等級交通道路上的廣泛采用的一種路面結構，同時也廣泛應用于重型道路交通。但是，隨著時間的推移和交通載荷不斷增強，早期的水泥路面均已出現不同程度的病害，影響了正常交通運輸服務，需要對水泥路面進行維護與維修。在原有水泥路面添加瀝青加鋪層能夠有效改善原有水泥路面的行車狀況，并且施工成本低、對正常交通影響小，已經成為國內外維修水泥路面普遍采用的技術措施。

雖然在原有水泥路面加注瀝青加鋪層能夠提高路面使用壽命，改善交通狀況，但是其技術復雜程度卻比直接鋪設瀝青路面要復雜，并且后續出現病害的概率也會遠遠大于直接鋪設瀝青路面，顯然其使用壽命也短于新瀝青路面。影響水泥路面瀝青加鋪層正常使用和降低其使用壽命的主要病害就是路面裂縫。這種裂縫往往難以有效徹底根除，一直是國內外道路交通研究者關注的重點問題。

2　路面加鋪層裂縫形成機理

從力學分析角度，分析路面加鋪層裂縫的方法可以包括兩類：一階段斷裂力學方法和兩階段斷裂力學方法。一階段斷裂力學方法首先將水泥路面加鋪層的瀝青混凝土看作是一種具有初始缺陷的建筑材料；然后將初始缺陷作為裂縫的初始長度，這樣在車輛載荷的不斷作用下，裂縫就會從微觀發展為肉眼可辨識的宏觀，進而嚴重影響水泥路面加鋪層的瀝青結構。兩階段斷裂力學方法將路面加鋪層的瀝青混凝土看作是缺陷材料考慮，但將路面裂縫的形成過程分為兩個階段：啟裂階段和裂縫擴展階段。

2.1　反射裂縫的成因

水泥路面加鋪層的瀝青裂縫形成大致可以分為兩種：載荷型裂縫和非載荷型裂縫。其中非載荷型裂縫中最主要的是溫度型裂縫。溫度型裂縫包括由溫度和干縮引起的裂縫。

1)溫度型裂縫。

道路交通環境的變換是造成道路路面裂縫的主要原因之一，其中起到主要作用的就是溫度的變化。由于溫度的變化會引起水泥路面瀝青加鋪層出現兩種變形：第一種是一年四季的溫度變化影響了水泥路面瀝青加鋪層的接縫，接縫隨著溫度的變高和變低出現收縮和擴張，最終引發路面裂縫。例如，在冬季比較寒冷時，原有水泥路面混凝土就會出現收縮變形，導致路面接縫處的寬度變大，再加上舊有水泥路面與新加瀝青加鋪層之間的粘結力會帶動加鋪層收縮。這樣就會造成接縫處出現集中應力，一旦應力超出的水泥路面瀝青加鋪層的強度承受限度后，瀝青加鋪層就會出現裂縫。由溫度引發的第二種裂縫是晝夜溫差引發的，這是由于不同材料的熱膨脹系數不同，而晝夜溫差導致水泥路面瀝青加鋪層中的溫度分布不均勻，瀝青加鋪層出現不一致的收縮和翹曲而引起加鋪層裂縫。

2)荷載型裂縫。

不但環境溫度會影響水泥路面瀝青加鋪層結構穩定性引發裂縫，道路交通載荷也是引發水泥路面瀝青加鋪層裂縫的重要因素。由道路交通載荷引發的瀝青路面加鋪層裂縫主要是剪切型發射裂縫，下面簡要闡述其形成原因。瀝青加鋪層是后續加裝到原有水泥路面上的，而原有水泥混凝土面板中不可避免地存在接縫或裂縫，加鋪完瀝青加鋪層后，當道路交通載荷作用到接縫或裂縫處時，原有水泥混凝土板就率先出現向下彎曲，隨著路面載荷的駛離，彎曲回復。長期的彎曲與回復就會導致接縫或裂縫兩側的板端出現移位偏差，此時接縫或裂縫上方的新加瀝青加鋪層就要經受較大的剪切應力。同樣，當剪切應力超出瀝青加鋪層的強度限制后，接縫或裂縫處就會出現路面裂縫。

2.2　裂縫的擴展

水泥路面瀝青加鋪層出現裂縫后，在溫度和載荷的不斷作用下，裂縫會不斷橫向和縱向擴展，一直到達加鋪層表面。根據裂縫受到的不同載荷作用，可以將裂縫變形的形式分為三類：張開型、剪切型和撕開型。

1)張開型。

張開型是指在應力作用下，裂縫產生張開位移形成裂縫擴展。張開型擴展的主要特點是裂縫的上表面與下表面沿著應力方向的位移不連續。根據水泥路面瀝青加鋪層裂縫的成因分析可知，張開型模式通常對應于由溫度導致的路面裂縫。此種裂縫早期出現于面層底部，在應力作用下，逐漸擴展到瀝青加鋪層的表面。

2)剪切型。

剪切型是指在平行于裂縫面而與裂縫尖端線垂直方向的剪應力作用下，裂縫沿著剪切力的方向出現位移而形成的一種裂縫擴展。結合水泥路面瀝青加鋪層裂縫的成因分析可知，與剪切型裂縫擴展相對應的是載荷型裂縫。該類裂縫擴展通常出現在瀝青加鋪層的底部，這是因為當出現正載荷時，瀝青加鋪層裂縫會向上垂直擴展；而如果出現的偏載荷，瀝青加鋪層裂縫會沿斜45°向上擴展。

3)撕開型。

撕開型是指在平行于裂縫面而與裂縫尖端線垂直方向的切應力作用下，裂縫出現沿著裂縫面外，也就是沿著切應力方向的相對滑動而形成的一種裂縫擴展。與撕開型裂縫擴展相對的裂縫成因很少。

3　防治路面加鋪層裂縫措施

3.1　設置土工合成材料

在原有水泥路面混凝土和瀝青加鋪層之間鋪設土工合成材料能夠顯著降低瀝青加鋪層出現的概率。常用的土工合成材料包括土工布、塑料格柵以及玻纖格柵等。土工合成材料的優點是能夠有效抵御變形，承受住水平方向上的應力，但其在垂直方向的受力剛度較小，不能有效抵抗剪切力。下面以玻纖格柵材料為例介紹土工合成材料抗瀝青加鋪層裂縫的施工過程。

玻纖格柵是一種瀝青加鋪層施工過程中十分常用的土工合成材料。其特點是抗拉強度高、延伸率小、無蠕變、抗老化、耐腐蝕、高溫穩定性好、與瀝青混合料的相容性好。玻纖格柵能夠緩沖瀝青加鋪層與水泥路面混凝土之間的應力，有效隔離水泥接縫因溫度變化而導致的突變，改善了加鋪層的應力分布，降低了應力突變對瀝青加鋪層的影響與破壞。因此，在水泥路面與瀝青加鋪層之間鋪設玻纖格柵能夠延緩由于水泥路面接縫處應力變化引發的瀝青加鋪層裂縫。

3.2　舊水泥板塊的修補與加固

在瀝青加鋪層施工之間，對原有水泥混凝土路面進行病害修補。特別是對于嚴重破碎的板塊進行加注與補板，對接縫與裂縫進行灌縫施工。此外，還要對板塊間彎沉差較大的板塊，有錯臺、裂縫等病害板塊進行注漿穩固處理等。這樣可以顯著降低由于水泥路面缺陷而引發的瀝青加鋪層裂縫。這是因為修補與加固舊有水泥板塊可以降低板塊在載荷作用下的豎向變形，為瀝青加鋪層提供一個相對穩定的施工基礎，有效降低瀝青加鋪層層中的剪切應力和彎拉應力，可以延緩裂縫發生。

3.3　適當增加瀝青加鋪層厚度

在水泥路面瀝青加鋪層施工過程中，適當增加瀝青加鋪層厚度可以起到延緩路面裂縫的作用。這是因為瀝青加鋪層的厚度增加后，裂縫由面層底部擴展到瀝青加鋪層表面的時間就被延長了。不但如此，路面結構的彎曲剛度也隨之增加了，可以有效降低接縫處的彎沉量和彎沉差。此外，依據斷裂力學原理，瀝青加鋪層厚度的增加可以明顯減少裂縫尖端應力，所以起到延長瀝青加鋪層壽命的作用。

3.4　鋸切橫縫

鋸切橫縫是一種控制瀝青加鋪層開裂，而不是徹底消除瀝青加鋪層裂縫的方法。其施工過程就是在瀝青加鋪層上，對舊有水泥混凝土面層的橫縫鋸切出新的橫縫，并且盡快填入封縫料，切記保證接縫密封，防止異物進入，特別是要防止水進入。鋸切橫縫可以有效釋放加鋪層內因溫度收縮受阻產生壓拉應力，起到控制裂縫隨意出現的作用。但在施工過程中要注意接縫的養護工作。此種處理措施原有水泥混凝土的結構良好，且接縫處的彎量較小的路面。大量實踐結果表明，鋸切橫縫對瀝青加鋪層裂縫的控制效果很好。

4　結語

隨著我國的水泥路面瀝青加鋪層的廣泛應用，瀝青加鋪層裂縫已經成為影響道路使用壽命的首要問題。文中分析了瀝青加鋪層裂縫的形成機理，包括裂縫成因和擴展類型，結合裂縫形成機理，提出了有針對性的防治措施。具體是通過設置土工合成材料、修補與加固舊水泥板塊、鋸切橫縫等措施限制瀝青加鋪層裂縫，從而增加瀝青加鋪層的使用壽命。

參考文獻：

[1]王芳,劉凱,王選倉,等.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構可靠性分析[J].公路交通科技,2015,32(3):1-6,19.

[2]原寶盛,彭余華,高明明.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層荷載應力分析[J].中外公路,2013,33(2):55-59.

[3]蘇衛國,李曉華.舊板破裂尺度對瀝青加鋪層反射裂縫及舊板回彈模量實測值影響分析[J].公路交通科技,2010,27(8):17-21.

[4]鄭桂蘭,馬慶雷,潘秀華.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構設計方法研究[J].山東大學學報(工學版),2007(4):93-97.

[5]楊斌,陳拴發,王秉綱.移動荷載作用下瀝青加鋪層結構動力響應分析[J].廣西工學院學報,2006(2):9-12,17.