季節性凍土區瀝青路面開裂及防治措施

安培磊 林增華 閔海龍

(遼寧科技大學土木工程學院，遼寧 鞍山 114051)

1 概述

近年來，隨著中國經濟實力的不斷提升，相應的道路網建設越來越趨于完美，而在眾多的道路建設中大部分選擇了鋪設瀝青混凝土路面，然而，隨著道路使用年限的增加，越來越多的瀝青混凝土路面開裂問題變得越發嚴重。另一方面，中國地域幅員遼闊，緯度差異較大，氣候復雜多樣，凍土區分布廣泛，在全球屬于第三凍土大國，凍土面積約占國土面積的75%，其中季節性凍土區約占凍土面積的52.6%。研究表明：季節性凍土區道路存在冬季凍脹和春季融沉的交替凍害現象，從而加速道路的開裂問題。地處季節性凍土區的瀝青路面受到季節性凍脹的影響，破壞現象更加嚴重。針對季節性凍土區瀝青路面更容易出現裂縫的問題，廣大道路工作者[1-3]進行了深入的研究，季節性凍土區瀝青混凝土的抗裂性問題亟待解決，為此研究季節性凍土區瀝青混凝土路面的開裂機理，進而提出相應的工程防治措施，具有重大的現實意義。

2 瀝青混凝土路面的開裂機理

為了深入研究季節性凍土區瀝青混凝土路面的開裂機理，通過考察鞍山地區的瀝青路面的開裂形式，如圖1所示。針對裂縫方向，裂縫的長度和裂縫寬度的變化，綜合分析瀝青路面開裂的原因，得出了鞍山地區瀝青路面的裂縫按其成因主要包括荷載裂縫、反向裂縫和溫度裂縫，同時，三種裂縫的發展又相互促進，進而產生更嚴重的瀝青路面道路開裂問題，嚴重影響瀝青路面的道路使用年限。

2.1 荷載裂縫

在瀝青路面工作年限內，要承受不同類型的車輛荷載，外界環境變化而產生的內部應力荷載，以及各種突發事件而產生的偶然荷載。路面結構的設計是在給定的交通量以及等效車載的要求下進行的，隨著近年來車輛的快速增長，路面結構所經受的荷載增速大大超出路面設計的預期，尤其是一些超載車輛的不斷出現，當路面結構所實際承受荷載產生的剪切應力超過瀝青混合料各層抗剪強度時，瀝青路面就會產生開裂，該種裂縫主要以道路方向縱向發展，當路面局部剛度較小時，進而發展成為網狀裂縫，如圖1中的a)和b)所示。在鞍山地區的眾多路面裂縫中，荷載裂縫除個別經常行駛重型車輛的道路外，其余道路路面的荷載裂縫所占的比例較少。

2.2 反向裂縫

在現場針對瀝青路面開裂的考查中，許多裂縫首先產生于路面的基層，進而發展到瀝青混凝土面層，呈反向裂縫形式。綜合分析主要有以下原因：

1)由于道路是線性構造物，整個道路基層存在不均勻的沉降問題，在瀝青路面產生切應力，隨著不均勻沉降差的加大，進而產生路面開裂，如圖1中的c)所示。

2)在已有裂縫的瀝青路面，地表水會經過裂縫進入路面結構內部，在動水壓力作用下會不斷沖刷各結構層材料，同時影響材料的內聚力和內摩擦角，進而降低材料的抗剪強度，最終導致裂縫的出現，以橫向裂縫居多，當然也存在網狀裂縫，如圖1中b)和c)所示。在裂縫不能得到及時的處理時，就會進一步發展成為大面積的網狀破壞，出現坑槽。

3)受路堤邊坡穩定性的影響，到一側路堤產生較大的沉降變形，就會相應延伸到瀝青面層，并最終發展成瀝青面層的縱向裂縫，如圖1中a)所示。

4)在路面基層，隨著含水量的減少，會產生道路基層的干縮現象，當干縮現象嚴重時，就會產生開裂，進而延伸到瀝青面層。

2.3 溫度裂縫

在鞍山地區，每年12月份隨著冬天溫度的降低，瀝青混合料的粘性逐漸降低，硬性增加，產生收縮變形，在一定程度上降低了瀝青混合料的極限抗拉強度，同時，在外車輛荷載的反復作用下，進一步加速了溫度應力疲勞，進而產生溫度疲勞裂縫。在半剛性路面基層，隨著溫度的降低，會在內部形成溫度梯度，逐步產生凍脹，當地下水較高，同時在毛細水作用下會產生分凝凍脹，局部位置凍脹現象明顯。此外，在溫度冷暖的交替作用下，會產生局部路面水的下滲，在基層位置聚集，更加加速了基層的凍脹問題，產生開裂，進而反射到路面，出現反向裂縫。在嚴重路段，春季融化段的裂縫明顯大于冬季凍結起始階段，局部增加1 mm～5 mm。在每年4月份溫度開始回暖，面層和基層中的冰晶體融化，此時瀝青面層率先開始融化，下面基層仍處于凍結階段，造成局部地基承載力降低，進而道路的凍脹融沉破壞，使得瀝青混凝土路面開裂，甚至出現翻漿冒泥現象，主要出現網狀和橫向裂縫，如圖1中的b)和c)所示。

3 瀝青混凝土路面的防治措施

為了徹底解決瀝青路面的開裂問題，相關研究領域的專家進行了深入研究，主要從兩個方面進行了改進：一方面是加強基層的設計，防治道路凍脹，不均勻沉降和荷載作用下的裂縫問題；另一方面是改變瀝青混合料的性能，主要是通過改性瀝青，加入纖維等材料，提高瀝青混合料的低溫開裂和高溫性能。

3.1 防開裂基層

防止道路基層的開裂，主要是針對瀝青路面出現的荷載裂縫和溫度裂縫。在進行道路設計時要加強道路基層的剛性，減少不均勻沉降，防止季節性凍土區道路凍害的產生。對于道路基層的剛性及承載力的提高主要是增加設計的荷載指標，進而抵抗車輛荷載的疲勞破壞。針對道路基層的不均勻沉降，主要是道路底基層進行相應的地基處理等措施，在保證承載力的同時，又要保證剛度的一致性，進而避免不均勻沉降的產生。對于季節性凍土區道路的凍脹問題，相關學者針對具體的問題進行了深入研究，針對道路凍害產生的條件主要有隔水法和隔溫法兩個方面。張向東[4]和張樹光[5]分別就季節性的防凍脹措施和凍脹機理進行了相關研究，提出了具體的凍脹預報模型和防凍脹措施。郭學東等[6]研究了瀝青混凝土路面的溫度應力和溫度裂縫問題，進而提出了相關的防治措施。由于季節性凍土區不同的凍結問題和土質的差異性等問題，上述研究具有一定的地域性的限制，面對鞍山的道路凍脹問題，進行符合該地區凍脹邊界條件的凍脹研究具有重要的現實意義。

3.2 改性瀝青混合料

改性瀝青主要是為了改善瀝青混合料的溫度疲勞裂縫和荷載裂縫的產生，在瀝青混合料中加入相關的纖維材料，比如木纖維、玻璃纖維、廢棄碳纖維和聚酯纖維等，用來改善瀝青混合料的低溫開裂和高溫車轍問題，現在用的最多的是聚酯纖維。胡長順等[7]在2001年就對纖維加強瀝青混凝土進行了相關研究，在此基礎上，提出了纖維瀝青混凝土設計、施工技術建議。郭乃勝[8]對聚酯纖維混合料的靜動態性能進行了研究，研究了纖維的最佳摻入量和路面性能的影響因素。近年來關于各種纖維的瀝青混凝土研究[9,10]更加深入與廣泛，取得了階段性的進展及其工程應用。改性瀝青的性能與所處的環境有很多的關系，為此研究區域性的改性瀝青性能具有重要意義，同時，以往的研究多為單一纖維的加入，而組合纖維的加入能更好的改善瀝青的性能，具有重大的現實意義。

4 結語

1)分析了季節性凍土區瀝青混凝土路面更加容易產生開裂破壞的客觀事實，針對開裂的特點，闡述了季節性凍土區瀝青路面抗裂問題的研究意義。

2)以鞍山地區為依據，分析了季節性凍土區瀝青路面的開裂機理，按其成因分為荷載裂縫、反向裂縫和溫度裂縫，并且闡述了各種裂縫產生的具體原因。

3)闡述了瀝青抗裂的兩大方向，道路基層的防裂和纖維改性瀝青，提出了瀝青路面開裂區域性的特點，闡述組合纖維瀝青混凝土路面區域性研究的重要性和實踐意義。