公路瀝青路面裂縫成因及修補技術研究

居瑋

摘要 為了提高公路瀝青路面養護水平，文章以某高速公路瀝青路面為研究對象，統計了橫向裂縫、縱裂裂縫、龜裂、塊裂等裂縫的占比，并從車輛荷載、溫度變化、瀝青混凝土老化、雨水沖刷等方面分析了裂縫的成因。其次，基于室內試驗法對比了4種裂縫修補材料的高溫穩定性和低溫抗裂性。最后，闡述了瀝青路面裂縫的修補時間、工藝及質量控制要點，研究成果可為瀝青路面裂縫處理提供依據。

關鍵詞 瀝青路面；裂縫成因；修補材料；修補工藝；修補效果

中圖分類號 U416.217文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0029-04

0 引言

瀝青混凝土是公路工程中最常用的路面材料。但是，公路經過長期運行，瀝青混凝土在車輛荷載、高溫、低溫、降雨、降雪等因素的作用下容易開裂，產生各種裂縫，不僅影響了公路的外觀和承載性能，還降低了公路的通行能力和行車安全性。同時，很多公路管養人員在制定裂縫修補方案時會盲目參考類似項目的圖紙或經驗，對裂縫成因理解不透徹，導致修補方案適用性差。因此，進一步研究公路瀝青路面裂縫成因及修補技術具有重要意義。

1 既有公路裂縫調查

1.1 工程概況

該文研究對象為某高速公路，其路線全長36.8 km，起點樁號為K0+000、終點樁號為K36+800，路基標準橫斷面為雙向四車道，寬度為25.5 m，雙向行車道和硬路肩均采用半剛性基層瀝青混合料路面，且路面結構層相同。瀝青路面厚度為74 cm，具體結構組合如表1所示[1]：

道路所在區域為沖洪擊平原二級階地，階面寬闊平整、地面起伏不大、地勢南高北低，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風區，夏季高溫持續時間長、冬季寒冷干燥，年降水量為580～750 mm，7月、8月、9月是明顯的降水高峰期，可占全年降水量的50%。

1.2 路面裂縫調查

近年來，公路兩側建立了許多物流園區，重載車輛不斷增加，導致瀝青路面出現了各種病害。鑒于此，該文針對公路沿線的路面裂縫開展了調查，得到了不同裂縫的占比，如圖1所示。

在瀝青路面裂縫中，其占比大小關系如下：橫向裂縫（50.5%）＞縱向裂縫（25.5%）＞塊裂（12%）＞龜裂（9%）＞其他（3%）。

2 瀝青路面裂縫成因分析

2.1 瀝青路面橫向裂縫成因

橫向裂縫基本與公路行車方向垂直，包括荷載型裂縫、非載荷型裂縫兩類，不同裂縫的成因分別闡述如下[2]：

（1）荷載型裂縫。在車輛行車荷載作用下，尤其是重載或超載路段，路面面層底部會產生較大拉應力。當路面面層的層底產生的瞬時拉應力大于瀝青混合料的極限抗拉強度，路面開始產生微裂縫。同時，微裂縫頂端會出現“應力集中”現象，使得微裂縫向上不斷擴展，最終貫穿至路表。

（2）非荷載型裂縫。瀝青混凝土具有明顯的“冷縮”特性。當路面所處環境的氣溫驟然降低（短時間內氣溫變化劇烈），瀝青混凝土的體積將會收縮。但是，瀝青混凝土的收縮會受到限制，從而在路面結構層內部產生溫度應力。當溫度應力大于瀝青混凝土的極限抗拉強度，路面會開裂。由此可知，瀝青路面的非荷載型裂縫大部分較規則，裂縫深度、寬度直接取決于當地溫度高低及變化。

2.2 瀝青路面縱向裂縫成因

縱向裂縫方向與公路行車方向基本平行，其成因如下：

一是路基沉陷。當路基出現沉陷后，大部分外界荷載由瀝青路面面層承擔。此時，位于車輪下方一定深度范圍內的瀝青混凝土要同時承擔拉應力和剪切應力，且拉應力和剪切應力快速增大。當拉應力和剪應力滿足式（1）和式（2）時，路面就會在A點被拉裂或剪切破壞，如圖2所示[3]：

T≥Tmax （1）

F≥σtanφ+c （2）

式中，T、F——A點所受的拉應力和剪應力；Tmax

——瀝青混凝土的容許拉應力；σ——A點所受荷載的垂直分量；c——瀝青混凝土黏聚力（kPa）；φ——瀝青混凝土內摩擦角（°）。

二是排水不暢。如果公路排水設施設置不合理，降雨徑流不能快速排出至用地范圍外，使得路面積水，并沿著路面結構空隙滲入路基中。一旦路基長期被水浸泡，其承載力會大幅下降。在相同車輛荷載作用下，更容易出現路基沉陷問題，進一步加劇縱向裂縫[4]。

三是路面接縫壓實不足。在分幅施工的瀝青路面中，如果縱向搭接位置的壓實度不足，外界環境中的水分、空氣等會沿著接縫處的空隙滲入，加速瀝青老化，使得瀝青混凝土脆性提高。此時，在車輛荷載反復作用下，路面容易沿著行車方向剪切開裂。

2.3 瀝青路面塊裂成因

瀝青路面塊裂呈大塊多邊形，短邊長度＜40 cm，長邊長度＜300 cm，且具有明顯的棱角，多出現在較開闊的路段。瀝青混凝土老化是瀝青路面出現塊裂的主要成因，具體老化過程可分為以下兩個階段[5]：

（1）拌和階段老化。瀝青混凝土在攪拌機中攪拌時，不可避免地會發生氧化反應。一般情況下，拌和溫度越高，因氧化反應引起的瀝青混凝土老化越嚴重。同時，如果瀝青混凝土的拌和時間過長，也會加劇瀝青混凝土老化。經拌和老化后，瀝青混凝土會變硬、變脆，路用性能變差。

（2）運營階段老化。公路投入運營后，瀝青路面受到降雨、降雪、氣候變化等因素的影響也會出現老化。鑒于此，該文收集了某地區公路的運營資料，以針入度（見圖3所示）為評價指標，評價瀝青路面不同層位的老化程度。

由圖3可知，在公路運營時間相同的條件下，越靠近路表的位置，其針入度越小，老化問題越嚴重；同時，隨著運營時間的增加，瀝青路面上面層、中面層、下面層之間的針入度差值呈減小趨勢；對于同一路面結構層，其針入度隨運營時間的增加不斷減小，即運營時間越長，瀝青路面老化越嚴重。

2.4 瀝青路面龜裂成因

瀝青路面龜裂呈一連串的小多邊形或小網格狀，其短邊長度一般不大于10 cm。結合相關研究成果，龜裂也可叫疲勞裂縫，主要是因為車輛荷載的反復碾壓，使得瀝青路面的變形超出設計值，無法繼續承載，因此形成瀝青路面的龜裂。在龜裂產生初期，基本不會影響路面性能；當龜裂面積達到某一臨界值，會形成坑槽，不利于行車安全[6]。

3 瀝青路面裂縫修補材料性能

3.1 裂縫修補材料分類

目前，公路瀝青路面裂縫修補常用的材料有加熱施工類、常溫施工類、專用材料類，不同材料的具體特點見表2所示[7]。

3.2 裂縫修補材料性能評價

由于該公路瀝青路面沿線的夏季高溫持續時間長、冬季寒冷干燥，可將高溫、低溫視作影響裂縫修補材料性能的重要因素[8]。鑒于此，該文選取4種常用的裂縫修補材料（70#道路石油瀝青、SBS改性瀝青、RTA、樹脂類密封膠），對其高溫穩定性和低溫抗裂性進行分析，試驗方法應嚴格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011，簡稱《規程》）開展。

（1）高溫穩定性。在夏季連續高溫環境中，許多裂縫修補材料受熱后都有一定的軟化，甚至出現“流淌”問題。此時，在車輛荷載影響下，裂縫修補材料容易出現被擠出或溢出的問題，使得裂縫修補失敗，故裂縫修補材料的高溫穩定性是指其在高溫環境中的軟化能力[9]。

利用《規程》中的“環球法”測量4種裂縫修補材料的軟化點。每個材料取3組平行試驗，取平均值作為該材料的軟化點。需注意，3組試驗的軟化點測定結果變異系數應控制在10%內。不同裂縫修補材料的軟化點試驗結果見表3所示。

不同裂縫修補材料在高溫條件下軟化點大小關系為：樹脂類密封膠＞RTA＞SBS改性瀝青＞70#道路石油瀝青。一般情況下，材料軟化點越高，其高溫穩定性越好。因此，樹脂類密封膠的高溫穩定性最好，70#道路石油瀝青最差。

（2）低溫抗裂性。在冬季連續低溫環境中，裂縫修補材料不可避免地會變脆，變形不易恢復。一旦受到車輛荷載，容易因拉伸而斷裂，故裂縫修補材料的低溫抗裂性可用彈性恢復能力評價[10]。

在5 ℃低溫環境下，根據《規程》測定不同裂縫修補材料的延度。每個材料取3組平行試驗，取平均值作為該材料的延度。需注意，3組試驗的延度測定結果變異系數應控制在10%內。不同裂縫修補材料的延度試驗結果見表4所示。

不同裂縫修補材料在5 ℃低溫環境條件下的延度大小關系為：樹脂類密封膠＞SBS改性瀝青＞70#道路石油瀝青＞RTA。一般情況下，材料延度越大，其低溫抗裂性越好。因此，樹脂類密封膠的低溫抗裂性最好，RTA最差。

綜上，建議采用高溫穩定性、低溫抗裂性較好的樹脂類密封膠作為該公路的路面裂縫修補材料。

4 瀝青路面裂縫修補要點

4.1 裂縫修補時間

瀝青混凝土具有明顯的“熱脹冷縮”特性。如果在夏季高溫條件下修補裂縫，瀝青混凝土受熱膨脹，裂縫寬度會縮小，使得灌入的密封膠偏少。而在冬季低溫條件下修補裂縫，瀝青混凝土體積收縮，裂縫寬度增加，需灌入更多的密封膠。因此，建議在溫度適宜的春季或秋季開展瀝青路面裂縫的修補作業。

4.2 裂縫修補工藝

裂縫修補施工工藝有直接灌縫和開槽灌縫兩種，應根據瀝青路面上的裂縫寬度選擇。

（1）直接灌縫。當裂縫寬度＜3 mm，可采用直接灌縫工藝。該工藝不需要切縫，施工簡單，灌縫后能起到長時間封水作用。但是，直接灌縫工藝應控制好裂縫修補材料的溫度。若灌縫膠溫度過高，會提前老化，性能下降。反之，灌縫膠流動度不足，難以完全填充裂縫，修補效果差。

（2）開槽灌縫。當裂縫寬度≥3 mm，可采用開槽灌縫工藝。該工藝灌漿飽滿，對裂縫修補效果好，且修補后使用壽命較長（可達3年），但前期投入人員和機械設備多。其具體施工流程如下：第一，開槽。需先利用專門的開槽機在裂縫位置開槽，切割裂縫壁松動集料。第二，清縫灌漿。利用壓縮空氣或高壓水將槽內的雜物清理干凈（如遇到難以清理的粘附性雜物，可用鋼絲刷清理），再均勻灌入密封膠。第三，開放交通。待裂縫修補完成2 h、材料達到凝固要求，才能撤出路障，開放交通。

（3）質量控制要點。為了保證裂縫修補質量，灌縫時應加強質量控制，具體控制標準及檢查頻次見表5所示。

5 結語

該文以某高速公路瀝青路面為研究對象，分析了不同裂縫的成因及修補材料、修補施工要點等，得到了以下幾個研究成果：

（1）公路瀝青路面經過長期運營，容易出現橫向裂縫、縱裂裂縫、龜裂、塊裂等，其中橫向裂縫的占比最高。

（2）不同裂縫的成因不同，但基本與車輛荷載反復作用、溫度變化、瀝青混凝土老化、雨水沖刷等因素密切相關。

（3）瀝青路面裂縫修補材料應優先選用高溫穩定性、低溫抗裂性較好的樹脂類密封膠。

（4）為了保證裂縫修補質量，應盡量在春季或秋季灌縫處理，并根據裂縫寬度選擇直接灌縫或開槽灌縫工藝。

參考文獻

[1]羅強， 陳浩東. 道路橋梁瀝青路面裂縫施工處理技術研究[J]. 運輸經理世界， 2023（17）： 133-135.

[2]張建明. 市政道路工程瀝青路面裂縫成因與防治策略分析[J]. 城市建設理論研究（電子版）， 2023（16）： 208-210.

[3]楊大港. 貴州省瀝青路面裂縫修補技術研究[D]. 南京：南京林業大學， 2023.

[4]秦澤豹. 瀝青路面裂縫的成因及其防治與修補技術[J]. 四川水泥， 2022（8）： 200-202.

[5]田發富. 藏區普通公路典型瀝青路面裂縫演變規律研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2022.

[6]周懷恩. 半剛性基層瀝青路面裂縫處治技術研究[J]. 城市道橋與防洪， 2021（8）： 291-295+31-32.

[7]李堅銘. 公路瀝青路面裂縫成因及灌縫技術的運用[J]. 西部交通科技， 2020（10）： 73-75.

[8]魏丕壹. 高速公路瀝青路面裂縫成因及日常養護關鍵技術[J]. 運輸經理世界， 2020（6）： 19-21.

[9]楊鵬輝， 姚遠. 密封膠在高速公路瀝青路面裂縫修補中的應用研究[J]. 粘接， 2023（12）： 17-20.

[10]晏超. 高海拔地區瀝青路面裂縫擴展規律分析及處治技術研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2022.