馬書奇

摘要:瀝青路面開裂的形式和原因多種多樣,但結構性裂縫、溫度裂縫、反射裂縫是瀝青路面開裂的主要原因,應針對其原因做好相應的防治。

關鍵詞:瀝青路面;裂縫成因;預防

中圖分類號:TU535

文獻標識碼:A

文章編號:16723198(2009)20029702お

1《公路設計手冊路面》(第三版)中對瀝青路面裂縫損壞作了如下的分類

1.1橫向裂縫

與道路中線近于垂直的裂縫,有的還伴有少量支縫。橫向裂縫多由基層或路基裂縫的反射或由低溫收縮造成,最初多出現于路面兩側,逐漸發(fā)展形成貫通路幅的橫縫。

1.2縱向裂縫

與道路中線大致平行的長直裂縫,有時伴有少量支縫。這類裂縫通常由路基、基層沉降,或施工接縫質量不好或結構承載力不足而引起。路基、基層沉降引起的縱縫,通常斷斷續(xù)續(xù),綿延很長。施工搭接引起的縱縫,其形態(tài)特征是長且直。而結構承載力不足引起的縱縫多出現在路面邊緣,由于路基濕軟造成承載力不足,從而導致縱縫。

1.3塊狀裂縫

近于直交的裂縫,把路面分割成近似矩形的小塊;塊的尺寸約在50cm×50cm到300cm×300cm之間,大于300cm見方的通常以縱向、橫向裂縫計。塊狀裂縫主要由面層材料的收縮和溫度的周期性變化所致,與荷載的關系不大。它的出現,標志著瀝青已顯著老化。塊狀裂縫有時是大面積出現的,尤其是在交通量很小的路面上,且這些路面的強度通常不低。

1.4龜裂

相互交錯的裂縫將路面分割成形似龜紋的銳角多邊形小塊,塊的尺寸小于50cm×50cm。龜裂是行車荷載的重復作用而引起的疲勞裂縫,其最初形態(tài)是一條或幾條平行的縱縫。隨著荷載重復作用次數的增加,平行縱縫間出現了橫向、斜向連接縫,形成了多邊的、銳角的、形似龜裂的裂縫型式。龜裂只發(fā)生在承受重復行車荷載的車道上,通常不會出現在整個路幅寬度上,除非交通非常繁重。龜裂是一種主要的結構損壞形式。

1.5滑移裂縫

月牙形裂縫,其兩端通常指向行車方向;車輛剎車或轉彎時造成面層的滑移和變形,從而出現滑移裂縫。

綜合以上國內外對裂縫的分類,可以認為,盡管瀝青路面開裂的原因和裂縫的形式是多種多樣的,但由行車荷載作用產生的結構性裂縫、由瀝青面層溫度變化產生的溫度裂縫、由基層裂縫的向上反射產生的反射裂縫是瀝青路面開裂的主要原因。

2瀝青路面裂縫應力分析

2.1結構性裂縫

瀝青路面的結構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,半剛性基層材料的應力大于材料的抗拉強度時,半剛性基層的底部就會很快開裂。在行車荷載的反復作用下,底部的裂縫會逐漸擴展到上部,并使瀝青面層也產生開裂破壞。影響拉應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。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生的拉應力明顯減小,甚至還小于半剛性底基層底面產生的拉應力,這對半剛性基層承受行車荷載的反復作用是十分有利的。

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。

2.3低溫收縮裂縫

瀝青材料在較高溫度條件下,具有良好的應力松馳性能,溫度升降產生的變形不致于產生過大的溫度應力,但當氣溫大幅度下降時,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生拉應力,當拉應力瀝青混合料的應力松馳趕不上溫度應力增長,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,面層中產生的收縮拉應力或拉應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,收縮受路面結構的相互約束小,所以低溫裂縫主要是橫向的。

2.4溫度疲勞裂縫

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

2.5面層溫度應力分布分析

在面層和基層均無裂縫的情況下,在瀝青面層中產生的溫度應力分布是這樣的: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力隨著面層的增厚而增加,面層內的應力隨深度而很快減小,同時面層表面的溫度應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,在裂縫尖端會產生較大的應力集中,使裂縫向下延伸并逐漸下的半剛性基層已經開裂,并且允許有垂直位移和水平位移。垂直位移穿透整個瀝青面層,由于面層底部與基層表面的粘結作用,裂縫呈現上寬下窄現象。

2.6半剛性路面的反射裂縫和對應裂縫

(1)由半剛性基層溫縮開裂引起的反射裂縫。

通常假設導致反射裂縫的機理是處于瀝青面層車輛荷載引起的路面結構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產生大的拉應力或拉應變,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力或拉應變,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)由半剛性基層干縮開裂引起的反射裂縫或對應裂縫。

對于新鋪的半剛性基層,隨著混合料中水分的減少,要產生干縮和干縮應力;水分減少得愈多愈快,產生的干縮應力和干縮應變就愈大。在已經產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力而使面層底部先開裂,并較快形成反射裂縫。一旦行車產生的拉應力與溫度應力相結合,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裂縫。因此,面層有一個臨界厚度。面層厚于臨界厚度時,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。

(3)由水泥穩(wěn)定土的膨脹性化學腐蝕開裂引起的反射裂縫或對應裂縫。

主要原因是地下水總的硫酸鹽等侵蝕物質與水泥中的某些物質發(fā)生交替反應,生成一種新的鹽結晶,造成水泥穩(wěn)定土體積開裂或引起破壞。