半剛性基層瀝青路面裂縫形成機理及預防措施研究

劉志成

摘 要：半剛性基層是新疆高速公路建設中被廣泛使用，其中水泥穩定類基層又因其強度高、板體性好等優點成為最常用的基層類型之一。對于半剛性基層和瀝青路面結構組合，水泥穩定基層常見的抗彎曲變形能力差、干縮、溫縮等特性，不可避免的在基層中會產生開裂變形，在環境和荷載因素作用下可能會向上擴展從而使瀝青路面產生反射裂縫。本文探究了半剛性瀝青路面的裂縫形成機理，并總結了路面裂縫常用預防措施，對瀝青路面常見病害治理起到了一定的作用。

關鍵詞：裂縫;鉆芯取樣;裂縫形成機理;預防措施

0 前言

目前，半剛性基層瀝青路面已發展成為新疆地區高等級公路路面結構的主要形式，由于半剛性基層材料是由水泥、粉煤灰等收縮性較大的材料作為結合料，受溫度和濕度影響易產生收縮裂縫，且抗拉強度較低，在荷載作用和外界環境作用下，易產生裂縫。雨水或雪水順著裂縫浸入內部，降低基層強度，在車輛行駛過程中產生的動水壓力將對基層結構產生沖刷，將會出現龜裂、坑槽、唧泥現象。

1 瀝青路面裂縫的類型

瀝青路面裂縫的影響因素有多種，主要有以下裂縫類型。

（1）根據裂紋面的位移方式，裂縫分為3種類型：拉裂型、剪裂型、撕裂型，其中拉裂型裂縫危害最大[1]。

（2）按裂縫形態，裂縫主要分為：橫向、縱向和網狀裂縫，如圖1和圖2所示。

（3）按瀝青路面開裂的主要原因主要分為荷載型裂縫和非荷載型裂縫。其中非荷載型裂縫主要是指瀝青路面反射裂縫，是瀝青路面中最常見、危害最嚴重的裂縫形式。

總之，在瀝青路面裂縫形式中，基層由于溫度降低、干燥失水和重復荷載等作用而產生裂縫后向面層延伸非荷載型裂縫是在公路中最常見的也是危害最嚴重的，尤其是由半剛性基層材料溫縮和干縮引起的反射裂縫問題最突出。

2 路面裂縫的鉆芯取樣分析

為了準確掌握和分析路面病害產生的原因及路面結構層厚度、結構形式、路基填料類型及結構層間粘結狀況，并對裂縫處進行了鉆芯取樣，對所取芯樣均現場測量厚度，了解檢測路段路面厚度分布情況及層間聯接情況，通過室內試驗檢測路面面層級配和油石比，通過無側限抗壓強度測試基層強度等。從芯樣測量和觀察，主要表現如下：

（1）在橫向裂縫處鉆取芯樣，瀝青面層芯樣、水穩基層芯樣全部沿裂縫處橫向斷裂，經驗判斷水穩強度較好。（2）在縱向裂縫處鉆取芯樣，瀝青面層縱縫芯樣、水穩基層芯樣基縱向開裂;其余段落為面層開裂，大部分水穩基層芯樣較為完整。（3）在龜裂處鉆取芯樣，大部分為瀝青面層開裂、水穩基層芯樣完整，少數出現面層與基層水穩芯樣松散破碎情況。（4）在唧泥處鉆取芯樣，瀝青面層和水穩基層芯樣松散破碎。

3 瀝青路面裂縫形成機理

3.1 行車荷載作用

路面結構在行車荷載重復作用下會發生重復變形，在材料內部出現疲勞應力，此時路面結構強度降低、變形增加并出現裂縫。由于半剛性基層是主要承重層，上部荷載傳遞給基層板體并在基層底部產生彎拉應力，當彎拉應力大于基層材料自身抗彎拉強度時，半剛性基層便會開裂，降低結構整體強度和穩定性。在重復荷載作用下，半剛性基層內部微裂縫不斷向上延伸，最終導致瀝青面層產生反射裂縫。

荷載型裂縫主要表現為縱向和網狀裂縫，其中網狀裂縫一般是由反復荷載引起的疲勞裂縫。路面結構強度不夠或者行車荷載超過設計荷載等原因使瀝青路面產生荷載型裂縫，且在低等級公路及超載嚴重的高等級公路上最為常見[2]。

3.2 干燥收縮機理

干燥收縮是半剛性基層開裂的最主要原因之一，它是由于基層內部水分散失而引起體積減小的現象[3]。

（1）毛細管張力作用。半剛性基層材料的干燥收縮是由于大孔隙中毛細管水蒸發而引起的整體宏觀體積變化，隨著毛細管張力作用階段的水分散失而增強。（2）吸附水、分子間力作用。吸附水引起的收縮量比毛細管張力作用引起的收縮量更大。（3）層間水作用。在半剛性基層材料中，粘土礦物、C-S-H凝膠等晶體或非晶體層狀結構物間存在大量層間水，晶體間距隨層間水散失而減小，從而引起宏觀體積收縮。若半剛性基層材料中含有較多粘土，其由于層間水蒸發而引起的收縮作用更加強烈。（4）碳化脫水作用。碳化脫水作用是指Ca（OH）2和空氣中的CO2反應生成水和CaCO3晶體，生成的水蒸發后會引起宏觀的體積收縮。隨著時間水分散失的越多，干縮應力越大。

3.3 溫度收縮機理

半剛性基層是由固相、液相和氣相組成的材料，固相包括骨架顆粒和其間的膠結料，砂粒以上的顆粒含量多，混合料溫縮系數就越小;液相包括自由水、吸附水和毛細水，主要存在于固體顆粒表面及其空隙中;氣相主要指顆粒間空隙中的氣體，一般是連通空隙，對溫度收縮性能影響不大。固相、液相和氣相對溫度敏感程度不一樣，故在溫度變化時內部產生較大應力，并引起收縮變形。

在水泥穩定類半剛性基層青路面中，無機結合料失水收縮的特性，會在內部產生干縮應力;隨著溫度變化，基體內部也會產生溫度收縮應力。在溫度降低和環境干燥的條件下，半剛性基層內部產生較大應力而發生開裂，在荷載作用下，基層裂縫不斷向面層發展，使瀝青面層產生反射裂縫。

4 瀝青路面裂縫預防措施

瀝青路面裂縫的產生對路面結構有較大危害，半剛性基層瀝青路面的抗裂性研究越來越引起專業人士的重視，以水泥穩定類基層為例，目前常用的抗裂措施主要有：

（1）改善水泥穩定粒料半剛性基層的集料級配，增加粗集料含量，控制細集料和粉塵含量，降低水泥穩定砂礫基層的收縮性，提高其抗沖刷性，增強集料的嵌擠能力。（2）在保證基層強度和剛度的前提下，適當降低水泥劑量，降低其收縮性。（3）研究重型壓實標準，減小水泥穩定粒料的含水量或在其中使用減水劑，降低干縮和溫縮。（4）半剛性基層上設置預切縫，讓半剛性基層在攤鋪瀝青面層前預先開裂，減少半剛性基層后期的開裂對瀝青面層的影響。（5）半剛性基層攤鋪完成后，如果養生不當，內部水分散失很快，將會產生較大干縮應力，很容易產生干燥收縮裂縫。在新疆地區，由于降水量少，氣候干旱，干燥季節時空氣非常干燥，加強養生及攤鋪瀝青面層的時間間隔控制，從而產生干縮裂縫。

5 結語

半剛性基層瀝青路面雖然使用廣泛，但易受外界因素影響出現裂縫，影響路面使用壽命，分析裂縫形成原因，制定預防措施，從而更好的方便通行。

參考文獻：

[1]焦新海，周行春.半剛性路面反射裂縫防治措施研究綜述[J].重慶交通學院學報，1988，17（1）：52-57.

[2]張登良，鄭南翔.半剛性基層材料收縮抗裂性能研究[J].中國公路學報，1991，4（1）：16-22.

[3]張鵬.高等級公路半剛性基層材料的抗裂性能研究[D]大連：大連理工大學，2007.