瀝青路面的裂縫及預(yù)防

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　　簡介： 瀝青路面裂縫問題是公路工程質(zhì)量通病之一。本文從裂縫產(chǎn)生的原因入手，對瀝青路面層間應(yīng)力進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，并有針對性地提出了預(yù)防裂縫出現(xiàn)的相應(yīng)措施。

　　關(guān)鍵字：瀝青 路面 裂縫 預(yù)防措施瀝青路面在使用期開裂是世界各國普遍存在的問題，且不論其基層是柔性的還是半剛性的。路面裂縫的危害在于從裂縫中不斷進(jìn)入水分，使基層甚至路基軟化，導(dǎo)致路面承載力下降，產(chǎn)生唧漿、臺階、網(wǎng)裂等病害，從而加速路面破壞。

　　1　瀝青路面開裂原因

　　（1）瀝青路面開裂的主要原因可分為兩大類：一種是由于行車荷載的作用而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性破壞裂縫，一般稱之為荷載型裂縫。另一種主要是由于瀝青面層溫度變化而產(chǎn)生的溫度裂縫，包括低溫收縮裂縫和疲勞裂縫，一般稱之為非荷載型裂縫。　　

　?。?）由于我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范中規(guī)定或推薦瀝青路面采用半剛性基層。所以還存在著因為半剛性基層的溫縮裂縫或干縮裂縫引起瀝青面層產(chǎn)生的反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫。此類裂縫主要是非荷載型的，在某些情況下也可能是由溫度和荷載共同完成的。

　　2　瀝青路面裂縫應(yīng)力分析

　　2.1　結(jié)構(gòu)性破壞裂縫

　　（1）瀝青路面的結(jié)構(gòu)性破壞裂縫主要是由于行車荷載引起的。在車輪荷載作用下，大于半剛性基層材料的抗拉強度時，半剛性基層的底部就會很快開裂。在行車荷載的反復(fù)作用下，底部的裂縫會逐漸擴展到上部，并使瀝青面層也產(chǎn)生開裂破壞。影響拉應(yīng)力主要因素有面層的厚度、基層本身的厚度、基層的回彈模量和下承層的回彈模量。選取不同的瀝青面層厚度和半剛性基層厚度，通過試驗得出半剛性基層底部的拉應(yīng)力與半剛性材料回彈模量間的關(guān)系曲線。

　?。?）在半剛性基層下采用半剛性材料做底基層，可使基層底面由行車荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力明顯減小，甚至還小于半剛性底基層底面產(chǎn)生的拉應(yīng)力，這對半剛性基層承受行車荷載的反復(fù)作用是十分有利的。

　　2.2　溫度裂縫瀝青面層上的非荷載型裂縫主要是溫度裂縫。溫度裂縫有兩種，一種是低溫收縮裂縫或簡稱低溫裂縫，另一種是溫度疲勞裂縫。

　　2.2.1　低溫裂縫瀝青材料在較高溫度條件下，具有良好的應(yīng)力松馳性能，溫度升降產(chǎn)生的變形不致于產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力，但當(dāng)氣溫大幅度下降時，瀝青材料逐漸發(fā)硬并開始收縮。此時半剛性基層的底部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力瀝青混合料的應(yīng)力松馳趕不上溫度應(yīng)力增長，混合料勁度急劇增大。由于瀝青面層在路面中是受到約束的，面層中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力或拉應(yīng)變一旦超過瀝青混合料的抗拉強度，瀝青面層就會開裂。這種情況在瀝青面層與基層的附著力不夠好、允許有一定的自由收縮時，裂縫就更容易發(fā)生。由于瀝青路面寬度有限，收縮受路面結(jié)構(gòu)的相互約束小，所以低溫裂縫主要是橫向的。

　　2.2.2　溫度疲勞裂縫這種裂縫主要發(fā)生在日溫差大的地區(qū)。由于溫度反復(fù)升降導(dǎo)致瀝青面層溫度應(yīng)力疲勞，使瀝青混合料的極限拉伸應(yīng)變（或勁度模量）變小，加上瀝青的老化使瀝青勁度增高，應(yīng)力松馳性能降低，最終達(dá)到極限抗拉強度使路面產(chǎn)生裂縫。

　　2.2.3　光彈試驗在面層和基層均無裂縫的情況下，表面降溫30℃，在瀝青面層中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力分布。在面層已有裂縫時，光彈試驗得到的溫度應(yīng)力分布狀況。

　　一方面溫度向瀝青面層底部傳遞需要一定的時間，不是瞬時完成的，而且瀝青面層內(nèi)部和底部的溫度不可能與其暴露表面的溫度相同，始終有溫度差，即瀝青面層中會產(chǎn)生較大的溫度梯度。瀝青面層愈厚，表面溫度與底部溫度差愈大，層間溫度梯度也愈大。

　　另一方面瀝青面層表面的溫度應(yīng)力隨著面層的增厚而增加，面層內(nèi)的應(yīng)力隨深度而很快減小，同時面層表面的溫度應(yīng)力隨降溫幅度變小而減小。瀝青面層的表面一旦開裂，隨著持續(xù)低溫或另一次降溫，在裂縫尖端會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，使裂縫向下延伸并逐漸穿透整個瀝青面層；由于面層底部與基層表面的粘結(jié)作用，裂縫呈現(xiàn)上寬下窄現(xiàn)象。

　　2.3　半剛性路面的反射裂縫和對應(yīng)裂縫

　　2.3.1　由半剛性基層溫縮開裂引起的反射裂縫通常假設(shè)導(dǎo)致反射裂縫的機理是處于瀝青面層下的半剛性基層已經(jīng)開裂，并且允許有垂直位移和水平位移。垂直位移是由行車荷載引起的下臥路面結(jié)構(gòu)在裂縫處的差動位移，水平位移是由溫度變化或水分變化引起的膨脹和收縮。

　　冬季或在寒冷地區(qū)，在結(jié)合得好的瀝青面層下，開裂的半剛性基層的水平位移使得直接在裂縫上的面層內(nèi)產(chǎn)生大的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，由于在較低溫度下瀝青面層通常較硬，它只能承受小的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，因此容易被拉裂，并且裂縫的擴展途徑是由下至上的。瀝青面層的厚度愈薄，反射裂縫形成的愈早和愈多。

　　2.3.2　由半剛性基層干縮開裂引起的反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫對于新鋪的半剛性基層，隨著混合料中水分的減少，要產(chǎn)生干縮和干縮應(yīng)力；水分減少得愈多愈快，產(chǎn)生的干縮應(yīng)力和干縮應(yīng)變就愈大。在已經(jīng)產(chǎn)生干縮裂縫的半剛性基層上鋪筑瀝青面層，在較薄瀝青面層的情況下，半剛性基層的裂縫會由于溫度應(yīng)力而使面層底部先開裂，并較快形成反射裂縫。一旦行車產(chǎn)生的拉應(yīng)力與溫度應(yīng)力相結(jié)合，反射裂縫會形成得更快。在較厚瀝青面層的情況下，由于溫度應(yīng)力在表面最大，基層的裂縫將促使面層先從表面開裂，然后逐漸向下傳播形成對應(yīng)裂縫。以上結(jié)論已被長沙交通學(xué)院光彈模型試驗所證實，表面降溫30℃時，不同厚度瀝青面層內(nèi)下層裂縫上方的溫度應(yīng)力分布規(guī)律。

　　不同的應(yīng)力分布規(guī)律不難推斷，通過進(jìn)一步的試驗或計算，將會得到一個臨界面層厚度。面層厚于此臨界厚度時，裂縫將主要從表面開始；薄于此臨界厚度時，裂縫可能主要從底部開始。此臨界厚度與氣候條件、面層混合料的勁度模量、溫縮性以及基層混合料的溫縮性有關(guān)。

　　3　影響裂縫產(chǎn)生的主要因素

　　3.1　瀝青及瀝青混合料的性質(zhì)瀝青和瀝青結(jié)合料的性質(zhì)是影響瀝青路面溫度開裂的最主要原因，瀝青混合料的低溫勁度是決定瀝青路面是否開裂的最根本因素，瀝青勁度又是決定瀝青混合料勁度的關(guān)鍵。在瀝青性能指標(biāo)中，影響更大的是溫度敏感性，溫度敏感性大的瀝青更容易開裂。

　　3.2　基層材料的性質(zhì)基層材料的收縮性愈小，面層裂縫愈少?；鶎由嫌型笇佑鸵约訌娕c面層的粘結(jié)對抗開裂是有好處的，基層材料種類對瀝青面層的裂縫率有明顯影響。

　　3.3　氣候條件極端最低溫度、降溫速率、低溫持續(xù)時間、升降溫循環(huán)數(shù)次數(shù)是氣候條件影響瀝青路面溫縮裂縫的四大要素。

　　3.4　交通量和車輛類型半剛性基層中的最大拉應(yīng)力，通常是由最重的車輪荷載產(chǎn)生的；并且對于半剛性路面，不同軸載對路面的破壞作用遠(yuǎn)不是4次方的關(guān)系，而11～13次方的關(guān)系，即使是通過次數(shù)較少的重荷載也對路面破壞起著決定性的作用。

　　3.5　施工因素主要指半剛性基層材料的碾壓含水量，半剛性基層完成后的暴曬時間等因素。

　　4　減輕瀝青路面裂縫的措施根據(jù)規(guī)范，通過路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和厚度計算可以滿足瀝青路面強度和承載能力要求，基本解決荷載型裂縫產(chǎn)生的問題。對于如何避免或減輕非荷載型裂縫的產(chǎn)生，應(yīng)從設(shè)計與施工兩個方面來進(jìn)行考慮。

　　4.1　設(shè)計方面

　　（1）在進(jìn)行半剛性路面設(shè)計時，首先應(yīng)選用抗沖刷性能好、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)小、抗拉強度高的半剛性材料做基層。

　　（2）選用松弛性能好的優(yōu)質(zhì)瀝青做瀝青面層。在缺少優(yōu)質(zhì)瀝青的情況下，應(yīng)采取改善瀝青性質(zhì)的措施。

　?。?）在穩(wěn)定度滿足要求的前提下，優(yōu)先選用針入度較大的瀝青做瀝青面層。

　?。?）瀝青面層采用密實型瀝青混凝土。

　?。?）采用合適的瀝青面層厚度，確保半剛性基層在使用期間一般不會產(chǎn)生干縮裂縫和溫縮裂縫。

　?。?）為進(jìn)一步提高表面層抗溫度裂縫性能，可采用橡膠瀝青或聚合物瀝青在瀝青混凝土表面做一封層。

　?。?）設(shè)置應(yīng)力消減（應(yīng)力吸收）中間層。

　　4.2　施工方面

　?。?）嚴(yán)格控制半剛性基層施工碾壓時的含水量，混合料的含水量不能超過壓實需要的最佳含水量或控制在施工規(guī)范容許的范圍內(nèi)。

　?。?）半剛性基層碾壓完成后，要及時養(yǎng)生。

　　（3）半剛性基層碾壓完成后或最遲在養(yǎng)生結(jié)束后應(yīng)立即用乳化瀝青做透層或封層。

　　（4）透層或粘層完成后，應(yīng)盡快鋪筑瀝青面層。

　　5　結(jié)束語實際上按照現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范要求，瀝青路面厚度設(shè)計相對偏厚，目前采用的半剛性基層收縮性都比較小，施工工藝水平有很大提高，所以新建半剛性瀝青路面上出現(xiàn)的裂縫絕大多數(shù)是瀝青路面本身產(chǎn)生的溫度裂縫。如何提高瀝青面層的防裂性能、改善瀝青及瀝青混合料的使用品質(zhì)應(yīng)是我們今后研究的主要方向。