晏　茂　李元英

摘要:半剛性基層瀝青路面具有承載力高、行車舒適等優(yōu)點,但由于半剛性材料收縮性大的特點,基層容易開裂并最終會反射到瀝青面層上,使半剛性基層產(chǎn)生收縮裂縫,并最終導致瀝青混凝土面層開裂,從而大大地縮短瀝青混凝土路面的使用壽命。本文根據(jù)多年的路面施工經(jīng)驗,對半剛性基層裂縫的原因及處治方法進行綜合分析。

關(guān)鍵詞:瀝青路面 反射裂縫 防治措施

中圖分類號:U416文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)03-0053-02

半剛性基層瀝青路面由于具有強度高、造價低、整體性及水穩(wěn)定性好等優(yōu)點,在我國公路建設(shè)中得到了廣泛的運用;但半剮性基層在運營期間易產(chǎn)生干縮裂縫和低溫收縮裂縫,在交通荷載和溫度荷載的重復作用下,半剛性基層的這種收縮裂縫很容易擴展到瀝青面層而形成反射裂縫(reflection crack)。反射裂縫一旦產(chǎn)生,不僅影響路面的美觀和行車舒適性,更重要的是大大的縮短了路面的使用壽命。

1 反射裂縫的常見類型

1.1 荷栽型反射裂縫

由于基層開裂,鋪筑在其上的瀝青面層在裂縫處產(chǎn)生應力集中。汽車駛經(jīng)裂縫的過程中時,在車輛荷載作用的過程中,面層受到兩次剪切一次彎拉,當行車荷載的反復作用使裂縫處面層底部所受應力超過材料的強度極限后,面層裂縫便隨之產(chǎn)生并逐漸向上擴展,形成荷載型反射裂縫。

1.2 溫度型反射裂縫

由于半剛性材料具有不同的熱脹冷縮性,瀝青面層在日變化溫度作用下,頂面溫度變化對底面大,在夜間溫度下降變化的過程中,它們的熱學性質(zhì)會發(fā)生相互作用,就會在基層內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度應力,從而使半剛性基層處于受拉狀態(tài)。而水泥穩(wěn)定粒料線膨脹系數(shù)在(1.0～1.5)?0之間,當半剛性基層混合料抗拉強度小于收縮應力時,使基層開裂,最終反射到面層形成溫度型反射裂縫。

2反射裂縫產(chǎn)生的原因和對路面的危害

2.1 反射裂縫產(chǎn)生的原因

由于半剛性基層材料屬于水硬性材料,當基層建成以后,基層內(nèi)部的物理化學反應要持續(xù)一個相當長的時間,基層材料的強度和剛度也隨著齡期的增長而不斷加強。所以這一類材料對溫度和濕度的變化都比較敏感。如果施工條件不好,就有可能導致基層產(chǎn)生干縮性溫縮裂縫,而其下臥層與該層之間的磨阻作用抑制了其收縮,從而在該層內(nèi)部產(chǎn)生拉應力,當此應力超過其抗拉強度時則發(fā)生斷裂。這種裂縫一般發(fā)生在使用期間的初冬季節(jié),也可能發(fā)生在施工過程中基層鋪筑后到尚未覆蓋瀝青面層之前。

當半剛性基層開裂以后,在瀝青面層與半剛性基層層間的裂縫處形成一個薄弱點,在使用過程中,由于荷載應力與溫度應力的共同作用,在該點的瀝青面層底面產(chǎn)生應力集中,如瀝青面層較薄則會引起開裂。隨之,在行車和大氣因素的反復作用下,裂縫逐漸向上擴展,直至瀝青表面。這種裂縫通常稱為反射裂縫。反射裂縫一般為橫向裂縫,其間距大小取決于當?shù)氐臍夂驐l件、瀝青面層的厚度,以及半剛性基層和瀝青層材料的抗裂性能。當日溫差變化較大,瀝青面層較薄和半剛性基層和瀝青面層材料的抗裂性能較差時,則裂縫間距較小;反之,則較大。

2.2 反射裂縫對路面的危害

反射裂縫會對路面性能和耐久性產(chǎn)生不利的影響。這些不利影響包括:防水性降低。路表出現(xiàn)任何裂縫,都會使路表水有機會進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部,甚至進入對濕度敏感的路基土中。引起路基過大壓應力。由于存在裂縫,造成路面板體不連續(xù),在行車荷載作用下將加大板體邊緣的變形,從而在裂縫處傳遞過大壓力至路基頂面。增大路面應力和變形。上述的路面結(jié)構(gòu)板體邊緣變形,會在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)(尤其基層)產(chǎn)生很大的應力和變形,在行車荷載作用下將縮短這些結(jié)構(gòu)層的壽命。磨耗層沿裂縫的破壞。在車輛、水分、霜凍等因素的綜合作用下,磨耗層常會沿裂縫發(fā)生骨料或小塊瀝青的剝落。反射裂縫不僅使路面使用性能老化,影響行車舒適性,而且導致路表水下浸,影響到路基的強度與穩(wěn)定性。更為重要的是,在行車荷載反復作用和周期性變化環(huán)境溫度的影響下,常常使得裂縫迅速向四周擴展,大大縮短了罩面層的使用壽命。

因此,反射裂縫是高速公路瀝青路面所面臨的一大技術(shù)難題。影響半剛性基層瀝青路面開裂的因素很多,各種因素之間的相互作用也十分復雜,只有進行大量實驗分析和實踐總結(jié),才能找準原因,并有針對性地進行防治。

3 預防半剛性基層瀝青路面反射裂縫的主要措施

目前國內(nèi)外對減少半剛性路面裂縫的主要思路是:一是使用防裂效果更好的面層或基層材料;二是通過增加瀝青面層厚度以防止基層反射裂縫;三是從結(jié)構(gòu)本身人手防止和減少半剛性瀝青路面基層的反射裂縫。在瀝青面層和半剛性基層之間設(shè)置一層彈性模量低、韌性好的材料作為應力吸收層以吸收半剛性基層裂縫,目前這種方法是國內(nèi)外工程實踐中用得較多的一項工程措施。針對半剛性基層瀝青路面反射裂縫采取的具體措施如下。

3.1 增加瀝青面層的厚度

通過增加瀝青面層厚度以防止基層反射裂縫,國際上通用的結(jié)論是需要將瀝青面層增加至15～25cm。增加加鋪層厚度,一方面可以減少舊面層的溫度變化,并降低加鋪層的拉應力,另一方面可以增加路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度,降低接縫處的彎沉差,減少加鋪層的剪切應力。同時,可以延長其疲勞斷裂壽命。

但單純依靠增加加鋪層厚度的方法有其弊端:一方面增加加鋪層厚度可能會受到路面標高的限制;另一方面增加加鋪層厚度,必將大幅度增加路面造價,而且在夏季高溫時瀝青混合料高溫蠕變易產(chǎn)生車轍,同時會削弱由于舊水泥混凝土板作基層而產(chǎn)生的強基薄面的優(yōu)勢,故而這一方法有很大的局限性。

從已鋪筑的高速公路的實例來看,裂縫情況隨著面層厚度的加大有明顯的改善,但是,車轍隨著路面厚度的增加也隨之增加,如廣深高速公路,路面總厚度為100～110cm。這個結(jié)構(gòu)當初是外商出于商業(yè)目的確定的,是不合理不經(jīng)濟的結(jié)構(gòu),從現(xiàn)在的情況來看,表面車轍嚴重,下雨后積水,出現(xiàn)大面積松散,返修率高。從車轍調(diào)查來看,這條路上車轍最大深度達到17mm,平均車轍深度為10mm,其主要原因是瀝青層太厚影響了路面的高溫穩(wěn)定性。

由上可以看出,通過較厚的瀝青面層來防止和減少反射裂縫,在經(jīng)濟上不合算,還可能導致其他路面病害的發(fā)生。

3.2 進行半剛性材料的合理組成設(shè)計

通過進行半剛性基層材料的合理設(shè)計,如調(diào)整結(jié)合料用量與比例,增加粗骨料含量并嚴格設(shè)計級配,以盡可能的減小其溫縮和千縮系數(shù),增加半剛性基層材料的抗裂性能,但是不能從根本上消除半剛性材料的開裂而導致的路面反射裂縫。

3.3 在面層與基層之間增加級配碎石層

采用具有一定厚度的優(yōu)質(zhì)級配碎石作為上基層,而用半剛性材料作為下臥層,這種上柔下剛式的“組合基層”在很大程度上能夠防止和減少半剛性基層反射裂縫,同時級配碎石基層還能充當具有排水功能的基層0級配碎石層是由特粗式級配瀝青碎石混合料所組成,具有20%～35%的空隙率,它提供了一種散逸運動的方式,能夠把交通荷載與環(huán)境溫度作用下所引起的原水泥混凝土路面板產(chǎn)生的運動消散掉。

目前國內(nèi)將級配碎石作為半剛性基層與瀝青面層之間的中間層的設(shè)計尚不多見,但在美國、澳大利亞以及南非已作為減少瀝青路面反射裂縫的措施獲得了較多應用,且效果較好。但是與其他方法相比,增加級配碎石層的經(jīng)濟性較差。

3.4 加鋪土工織物或格柵

包括聚丙烯或聚醋織物和聚乙烯、聚丙烯或聚醋無紡織物。無紡織物厚度為0.4～4mm,模量為10～160MPa,臨界應力5～20MPa,臨界應變4o%～140%?？椢锏暮穸容^薄些,為0.4～0.7mm,模量則高些,為400～1500MPa。臨界應力和應變相應為40～140MPa和8%～15%。無紡織物夾層的主要作用與橡膠瀝青應力吸附夾層相似。而織物由于模量稍高,可對加鋪層起少量加筋作用。

在半剛性基層頂或瀝青之間設(shè)置各種土工合成材料,可以提高瀝青混合料的抗拉強度與抗變形能力。20世紀80年代初,英國諾丁漢大學布朗教授經(jīng)過三、四年的試驗和研究將塑料格柵應用于瀝青路面。他通過對比加鋪和未加鋪土工格柵的瀝青路面,認為前者比后者可以推遲疲勞裂縫出現(xiàn)達19倍,可以減少車轍50%。

瀝青面層的抗裂強度,土工織物中間層國外自80年代以來廣泛使用,多用于具有嚴重裂縫舊瀝青路面或水泥路面上加鋪瀝青新面層的中間防裂層,品種多為編織尼龍、無紡聚丙烯和玻璃纖維幾種,其中以無紡聚內(nèi)烯(Petromat)效果較好,總的研究結(jié)果表明防裂效果有好有壞,一般來說土工織物中間層對于垂直位移和水平位移較大(溫縮嚴重)的情況效果不大,此外其防裂效果可能較短暫。

格柵包括聚丙烯或聚醋土工格柵、玻璃格柵和金屬格柵。土工格柵的厚度為0.8～11mm,模量為900～2500MPa,臨界應力和應變與織物相近。金屬格柵的厚度為2～4mm,其模量可達到8000～10000MPa。剛度大的夾層對于降低加鋪層內(nèi)因溫度下降而引起的應力和應變的作用不如軟夾層,但對于降低荷載產(chǎn)生的應力應變的作用則遠大于軟夾層,采用復合式夾層(下層為應力吸收層,上層為金屬格柵),雖然可以像軟夾層那樣減少溫度引起的反射裂縫,但仍保留了軟夾層不能降低加鋪層荷載應力的缺點。由此,各種夾層具有不同的剛度,在減少反射裂縫方面所起作用也不同。軟夾層在減少溫度引起的反射裂縫中可起到重要作用,但在降低荷載應力方面作用不大,甚至可能有不良影響,而剛(勁)度與瀝青加鋪層材料相近的硬夾層,則對降低荷載產(chǎn)生的反射裂縫最為有效,但在減少溫度引起的反射裂縫方面不如軟夾層有效。因而,在選擇夾層類型時,應對誘發(fā)反射裂縫的主要原因以及不行具體分析。

3.5 基層預切縫

基層預切縫方法是在鋪瀝青面層前將半剛性基層按一定間距設(shè)置預鋸縫,且設(shè)法讓這種裂縫僅保留在基層本層,而不反射到面層?；鶎硬捎妙A鋸縫來減少瀝青面層反射裂縫的措施在國內(nèi)外工程實踐中有一定的應用,且國外應用也較早,如德國1986年設(shè)計規(guī)范規(guī)定,當瀝青面層厚度小于或等于14cm時,基層厚度不管多大,只要基層抗壓強度不大于12MPa,基層必須預切縫;前蘇聯(lián)為了避免薄瀝青面層下水泥穩(wěn)定土基層產(chǎn)生不規(guī)則的紊亂的裂縫反射到瀝青面層上,也為了減少裂縫的破壞作用,建議在水泥土基層上每隔8～12m作一假縫,深6～8cm,縫寬10～12mm。它的防裂原理主要是通過鋸縫改善基層約束條件,從而在一定程度上釋放溫度應力來達到防裂目的。同時,在鋸縫防裂基礎(chǔ)上鋪設(shè)一定寬度土工織物,既起到了防滲作用,又在一定程度上緩解了裂縫處瀝青面層應力集中,從而延緩或消除了面層反射裂縫的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,為滿足交通運輸發(fā)展的需要,許多80年代、90年代修建的道路已進人大修改建期,如何充分利用原有道路進行改造,發(fā)揮更好的社會經(jīng)濟效益,已是非常緊迫的任務。結(jié)合實踐總結(jié)以下幾點供參考:第一,理論計算與實踐緊密結(jié)合,從經(jīng)濟合理、安全可靠、可操作性強等因素中找到其切人點;第二,加強對舊路的檢測與評價,量化路面現(xiàn)狀,合理分段,路面改造結(jié)構(gòu)形式要有利于施工;第三,舊路改造相當復雜工作內(nèi)容多,牽涉面廣,做到動態(tài)設(shè)計與動態(tài)施工有機結(jié)合;第四,施工隊伍必須具備較高的技術(shù)素質(zhì)和良好的施工裝備;第五,舊路改造屬于“細活”工程,監(jiān)理及業(yè)主等監(jiān)督管理部門須嚴格控制材料和施工質(zhì)量;第六,合理的設(shè)計和施工周期是優(yōu)良產(chǎn)品的有力保障。

實踐證明,雖然這些措施達到了一定的防裂效果,但是它們的防裂效果和機理不相同,且各類措施防裂效果很有限。因此,應根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的實際情況,綜合利用多種防裂措施與方法以達到最佳的防裂效果。

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