低等級公路瀝青路面加鋪瀝青防裂研究

衣松杰，杜武剛，張 剛，王 剛，寇景宇，陽 祿，王小兵，王 林

（中交路橋建設有限公司，北京 101121）

1 工程概況

銅仁市江口縣凱德至黑巖坪公路路面改善提升工程位于貴州省銅仁市江口縣境內，工程起點位于江口縣凱市村凱德坊，起點樁號K0+000=管養樁號K0+000，整體向西南方向延伸，途經傅家、辣子垱，終點為黑巖坪村，終點樁號K7+564=管養樁號K7+565，路線全長7.564 km。原有老路路基寬度為4.5～6.5 m，道路等級為四級公路。該道路建設于2013年，交通量小，由于年久失修，地方養護資金有限，全線路面破壞嚴重，通車至今已出現一些病害，主要表現為邊坡坍塌、路基不均勻沉降、路基軟弱變形、邊溝普遍淤塞、涵洞部分淤塞及全線危險路段安全設施缺失，路面出現了龜裂、坑槽、剝落等現象。

本次路面改造是按照貴州省交通運輸廳發布的《貴州省縣鄉公路路面改善提升工程設計指南（試行）》相關要求進行設計。因為原道路為單車道四級公路，道路等級較低，平縱面指標也較低，部分路段沒有超高，所以本次設計在維持原有道路平縱線形指標不變和路基寬度不變的情況下，以“路面改造、完善安全設施為核心，輔以適當綠化、景觀打造”為設計宗旨。設計重點在于對舊路面病害進行處治，完善交通安全設施，治理安全隱患等，同時對局部彎道路段的超高進行優化改造，增加行車安全性和舒適性。

2 低等級瀝青路面加鋪瀝青層防裂技術研究意義

瀝青路面有著施工費用低、剛度大、強度高以及施工要求較低等優點，但是近幾年也發現存在一些問題，主要表現為：一些瀝青路面在正常使用較長年份后會因為一些內部與外部因素的影響，例如循環應力、路面表面層老化、四季溫度交替變化等出現一系列病害，這將影響瀝青路面的正常使用和道路行車安全。

加鋪瀝青層是目前主要的改造方法，使用這種方法成本相對較低，在現場施工處理也更加方便，并且施工時間短。在低等級瀝青路面上加鋪瀝青可以恢復路面的適用性，還可以提升低等級路面的性能，但同時要注意滿足路面荷載要求，不會發生應力破壞。此外，應從加鋪瀝青層的對應種類和配合比等方面進行研究，以保證改造路面在規定范圍內。在低等級瀝青路面改造過程中也會出現一些技術問題，例如加鋪瀝青后更容易出現反射裂縫。反射裂縫剛開始出現時可能影響不大，但在雨水、氧化等負面影響下，周圍的裂縫會迅速擴大，每次路面移動都會使加鋪層的裂縫長度略有增加。隨著荷載的增加，路面的運動幅度增大，裂縫擴展速率增大，加鋪層表面迅速出現反射裂縫，縮短了路面的使用壽命[1]。所以首先要解決在加鋪過程中反射裂縫被擊穿的問題，這也是當前加鋪瀝青層所面臨的普遍問題。

3 反射裂縫形成的原因

許多瀝青路面覆蓋層過早地出現與舊路面相似的開裂模式。加鋪層表面開裂是由于加鋪層不能承受下層路面原有裂縫的集中運動產生的剪應力和拉應力。這種移動可能是交通負荷導致下層路面裂縫出現不同程度的偏斜，路基土膨脹或收縮，路面本身因溫度變化而膨脹或收縮。由上述任何原因引起的路面移動都會在新鋪設的路面上產生剪應力或拉應力。當這些應力大于剪切強度或拉伸強度時，新的覆蓋層就會產生裂縫。現有的裂縫模式從舊的路面擴展到新的鋪裝層，這就是所謂的反射裂縫[2]。

對加鋪層開裂臨界條件的研究包括裂縫寬度、加鋪層厚度和車輪荷載位置效應。任何單一的裂縫擴展研究方法（張開法或剪切法）都不適用于瀝青加鋪層疲勞壽命的計算，拉伸模態和剪切模態的組合更適用于確定施工過程中加鋪層的臨界條件[3]，這種情況發生在車輪荷載在裂縫軸之前的地方。加鋪層底部存在裂縫導致加鋪層的剪應力比未開裂的加鋪層增加5倍。結果表明，裂縫尖端附近拉應力和剪應力的增加在一定程度上與裂縫寬度有關。

當車輛荷載作用在瀝青混凝土加鋪層頂部接合處附近且板兩側接合處偏差較大時，加鋪層頂部承受較大的彎曲應力和剪應力。如果它比瀝青混合料中斷裂模數與抗剪強度的其中一個大，都會在交匯的地方造成反射裂縫，并且已經有裂縫的情況下會使之擴展。

舊的底層路面的裂縫通過新的覆蓋層迅速蔓延是許多地區路面存在的問題，它通常被稱為“反射開裂”[4]，由熱收縮循環、重復交通荷載或兩種機制的某種組合引起。覆蓋層設計方法應考慮反射開裂，并應能夠評估任何給定情況下的處理效果，例如夾層、增強層、織物和增加的覆蓋層厚度。斷裂力學原理與應變能和強度標準可以得到有效利用[5]。

4 反射裂縫參數研究

為了研究不同參數對瀝青加鋪層臨界開裂條件的影響，本文進行了參數研究，主要研究了車輪荷載位置、裂縫寬度和加鋪層厚度對瀝青加鋪層裂縫擴展臨界條件的影響[6]。

在加鋪層厚度為5 cm的情況下，不同荷載位置的拉應力分布無顯著差異，但是在加鋪層厚度為10 cm的情況下，分析結果表明荷載中間位置的拉應力增大。當荷載位置在裂縫軸線之前時，裂縫尖端的剪應力大幅度增加，10 cm厚的疊加層中的剪應力分布更為合理。在薄加鋪層中或當裂縫長度達到瀝青混合料層深度的5%～6.5%時，由于集料互鎖的程度不同，不會因為拉張而進一步擴大裂縫[7]。當輪載到達特定位置且加鋪層厚度小于10 cm時，得到了裂縫向上鋪展的臨界條件。

裂縫寬度對于裂縫擴展為疊加層的臨界條件和裂縫擴展的應力分布質量是有效的。為了評價裂縫寬度對應力分布的影響，在有限元分析中對裂縫寬度分別為2 mm、4 mm和10 mm的瀝青路面進行研究。結果表明，裂縫尖端附近拉應力和剪應力的增加在一定程度上與裂縫寬度有關，因為裂縫寬度從4 mm增加到10 mm時，裂縫尖端的張應力和剪應力沒有發生明顯變化。在薄覆蓋層（小于10 cm）中，覆蓋層底部的水平應力為壓應力，底部的裂縫往往將這種應力轉變為拉應力；在厚覆蓋層（大于10 cm）中，覆蓋層底部的水平應力是抗拉的。結果表明，在厚覆蓋層中，應力導致裂縫擴展，而覆蓋層是拉伸的。

5 反射裂縫防治措施

對于反射裂縫的控制在實際施工中有很多不同的方法，結合工程背景和施工要求，針對銅仁市江口縣凱德至黑巖坪公路路面改善提升工程提出以下措施，以達到防治反射裂縫的目的。

1）原路面在加鋪土工織物之前應進行碾磨，在加鋪瀝青路面結構層之前就應該消除原路面的缺陷，研究瀝青路面存在的缺點，這是預防反射裂縫的一種重要措施[8]。選擇合理的配合比，控制材料用量，注意結構層的保護，及時在頂面或密封層上鋪設路面層，減少收縮縫，同時提升瀝青的質量，這也是減少瀝青路面反射裂縫經常采用的方法[6]。為保證低等級瀝青路面與瀝青加鋪層連接層的質量可以達到規定要求，應鑿開低等級路面，并在上面涂上優質粘結性布油（最好是改性瀝青）。

2）設置應力吸收膜。現在使用的國產應力吸收膜主要應用于有孔隙和多面層的路面。在施工中設置應力消除層的目的是消去下承層因為高應力作用而產生的水平方向的運動，防止瀝青加鋪層受到相應的影響從而產生相應的裂縫，同時預防出現反射裂縫，改變水分滲透對路面的影響效果，起到保護作用。

3）瀝青路面的結構為多層體系，各層結構物之間依靠粘層油連接為一個整體來抵抗荷載和環境因素的作用。玻纖格柵的網格狀結構決定了涂層熱瀝青可以直接接觸到上層瀝青混合料[8]。在進行上層混合料碾壓時，通過熱瀝青使上下兩層的壓實更充分，強度更好。聚酯布、聚酯玻纖布屬于可滲透的聚合物材料，滲透度高時上下層粘結則稍強，聚酯布和聚酯玻纖布較高的纖維含量提供了層間粘結的媒介作用，大大提高了材料的抗拉拔強度和抗剪切強度。

鋪設鋪裝層之后，找到低等級瀝青路面反射裂縫的部分，將舊道路上的裂縫進行修補，并在新鋪瀝青之前完成，以此保證舊縫不會對加鋪瀝青層造成影響。

6 結束語

通過多年的研究和工程施工實踐，針對反射裂縫問題主要是進行防治和緩解，想要永久消除這種裂縫是不現實的。加鋪瀝青層所采用的反射裂縫防治措施主要是通過一系列的舉措達到防治裂縫產生的最佳效果，不從產生后如何處理下手。在進行現場施工時為了達到后期使用階段不產生反射裂縫的施工效果，需要在找尋相應措施時兼顧一系列其他的施工影響，例如施工條件是否滿足施工現場要求，施工工藝是否成熟。當選擇好對應措施之后不能直接運用到現場的施工中，因為室內實驗和現場施工還存在一定的不同，要在對施工地形、施工特點進行分析后選出最好的符合該項目的瀝青層防裂措施，這樣才能達到預期的防治效果，讓低等級瀝青路面重新投入使用。

本文結合銅仁市江口縣凱德至黑巖坪公路路面改善提升工程施工實例，針對低等級公路瀝青路面加鋪瀝青層的防裂進行研究，并提出一系列的措施用來解決工程中出現的一些實際問題，以期對其他反射裂縫防治工程提供參考。