曾永亮

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著我國(guó)早期建設(shè)的水泥路面逐漸老化進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期，舊路改造工程逐漸引起技術(shù)人員的重視。在水泥路面上加鋪瀝青層，即所謂的白加黑，是常用的一種舊路改造方法，然而由于我國(guó)新建的水泥路面多采用接縫式混凝土板，受熱脹冷縮作用的影響，很容易導(dǎo)致加鋪后的瀝青混凝土路面產(chǎn)生反射裂縫，反射裂縫的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致加鋪面層結(jié)構(gòu)損壞，以至于減少瀝青加鋪層的使用壽命。因此，如何有效地消除反射裂縫成為加鋪改造工程的重點(diǎn)也是難點(diǎn)問(wèn)題，為此研究反射裂縫形成機(jī)理并提出相應(yīng)的防治措施，將對(duì)舊路改造工程提供有益的幫助。

1 反射裂縫產(chǎn)生機(jī)理

研究表明，瀝青加鋪層反射裂縫的擴(kuò)展模式主要有兩種：剪切型、張拉型。而交通荷載、溫度是反射裂縫產(chǎn)生的兩大主要因素。其中，剪切型反射裂縫多是由交通荷載引起。車輛荷載經(jīng)過(guò)接縫或者裂縫時(shí)，在偏荷載作用下，縫隙的兩側(cè)板端出現(xiàn)彎沉差，從而致使縫隙上的瀝青加鋪層承受了較大的彎拉應(yīng)力以及剪切應(yīng)力。若彎拉、剪切應(yīng)力超過(guò)瀝青材料抗彎拉、抗剪強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生反射裂縫。張拉型反射裂縫則主要由溫度變化引起。面層板上黏附瀝青加鋪層，溫度下降面層板收縮，受到水泥面板與加鋪層黏附力作用，加鋪層相應(yīng)收縮變形。收縮在兩條接縫或裂縫內(nèi)進(jìn)行，降溫時(shí)會(huì)導(dǎo)致此位置的加鋪層出現(xiàn)拉應(yīng)力集中。若拉應(yīng)力超過(guò)加鋪材料的抗拉強(qiáng)度，便會(huì)出現(xiàn)開裂的情況[1]。

一般反射裂縫會(huì)首先產(chǎn)生在輪跡處，后向兩側(cè)逐漸發(fā)展，初期反射裂縫對(duì)路面使用性能影響不大；隨著地表水浸入及瀝青材料氧化，裂縫附近路基材料含水量增大，在反復(fù)的車輛荷載作用下產(chǎn)生了動(dòng)水壓力，動(dòng)水壓力作用在抗沖刷能力較低的砂礫基層，便出現(xiàn)唧泥現(xiàn)象，致使水泥混凝土板底脫空，路面結(jié)構(gòu)承載力大幅下降，使用壽命縮短。因此，瀝青加鋪層反射裂縫控制是水泥路面改造的最重要技術(shù)問(wèn)題之一。

根據(jù)其發(fā)展形態(tài)，瀝青加鋪層反射裂縫劃有兩個(gè)擴(kuò)展階段。

1.1 縱向擴(kuò)展

縱向反射裂縫主要由溫度與荷載造成的，其中溫度產(chǎn)生的反射裂縫多產(chǎn)生于水泥面層底部，后向上發(fā)展至路面頂面。交通荷載產(chǎn)生的反射裂縫根據(jù)荷載方式會(huì)產(chǎn)生不同發(fā)展路徑。

1.2 橫向擴(kuò)展

橫向反射裂縫不可能一出現(xiàn)即橫向貫穿整個(gè)路面。往往是首先在某些位置產(chǎn)生細(xì)小橫向裂縫，后逐漸向兩側(cè)發(fā)展，這些位置通常是在輪跡處，因?yàn)檐囕v荷載是按一定頻率分布，因此橫向裂縫分布也有一定的規(guī)律[2]。

2 反射裂縫計(jì)算分析

有限元可用來(lái)模擬材料的力學(xué)行為。如線性及各向同性彈性的Hooke定律可得到最簡(jiǎn)單的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，它僅涉及兩個(gè)輸入?yún)?shù)，即楊氏模量和泊松比?？捎脕?lái)反映反射裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力變化情況。

2.1 有限元計(jì)算模型

公路是線性長(zhǎng)條基礎(chǔ)構(gòu)筑物，可以把該類計(jì)算對(duì)象簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析，為體現(xiàn)出無(wú)限大空間基礎(chǔ)特性，公路結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)多擴(kuò)大尺寸來(lái)模擬。計(jì)算將公路面層、基層考慮為線彈性材料，采用Linear elastic模型；路基土材料模型采用Mohr-CouIomb屈服準(zhǔn)則模擬。

表1 計(jì)算參數(shù)選取

圖1 計(jì)算有限元模型

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

考慮瀝青加鋪層厚度對(duì)下部水泥板塊裂縫應(yīng)力分布影響；計(jì)算分別取加鋪層厚度6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、16 cm、18 cm、20 cm，得到不同厚度下模型主要參量的變化曲線。

圖2 剪應(yīng)力隨厚度變化曲線

可知，在模型裂縫處出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨瀝青厚度的增加，結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力與變形參量呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，說(shuō)明瀝青厚度增加對(duì)裂縫發(fā)展有延緩的作用。但剪應(yīng)力變化曲線顯示，達(dá)到14 cm厚度加鋪層，瀝青厚度對(duì)剪應(yīng)力的影響不是很明顯。

考慮瀝青變形模量對(duì)裂縫及其周邊區(qū)域的影響，加鋪層采用設(shè)計(jì)厚度12 cm，對(duì)應(yīng)加鋪層模量800 MPa、1200 MPa、1 600 MPa、2 000 MPa、2 400 MPa、2 800 MPa、3 200 MPa、3 600 MPa。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 裂縫應(yīng)力變形隨瀝青加鋪層模量變化規(guī)律

計(jì)算結(jié)果顯示，裂縫變形與應(yīng)力隨著模量的增加而增加，但相比厚度，模量影響下的變化幅度較小?？芍诤奢d作用下裂縫擴(kuò)展隨路面變形模量增加而增大，據(jù)此得出，冬天氣溫低時(shí)路面模量高，裂縫發(fā)展速度可能大于夏天氣溫高路面模量低的情況。此外，通過(guò)添加改性材料或更改級(jí)配的方法可以有效提高瀝青路面抗變形能力，從而有效地抵抗放射裂縫。

3 反射裂縫防治措施

3.1 反射裂縫的防治對(duì)策

水泥混凝土路面加鋪瀝青面層是典型修補(bǔ)方法，這種復(fù)合形式路面結(jié)構(gòu)剛?cè)嵯酀?jì)，包涵了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，既有穩(wěn)定堅(jiān)實(shí)的水泥混凝土基層，又有摩阻系數(shù)高、平整度好的瀝青表面層，因此它可以極大地改善路面使用性能。但同時(shí)復(fù)合結(jié)構(gòu)材料差異大，舊水泥混凝土路面板接縫、裂縫、錯(cuò)臺(tái)及脫空等損壞使得結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)奇異，在奇異位置上很容易出現(xiàn)反射裂縫。反射裂縫本身對(duì)路面影響不大，但受外部環(huán)境影響的裂縫擴(kuò)散將會(huì)減少加鋪層壽命。為控制反射裂縫數(shù)量和發(fā)展速度，主要有以下幾種措施[3]。

3.1.1 鋸切橫縫

在原水泥面層橫縫位置，對(duì)應(yīng)上部瀝青面層預(yù)先切出新的橫縫，填入填充料，密封接縫。通過(guò)預(yù)先切縫，可釋放瀝青面層內(nèi)因?yàn)闇囟茸兓茏瓒a(chǎn)生的應(yīng)力，并預(yù)留板塊斷面移動(dòng)的空間，以此達(dá)到減少隨意裂縫產(chǎn)生的目的。

3.1.2 加厚加鋪層

研究表明通過(guò)增加瀝青面層厚度，可減少原水泥面層因溫度變化造成的不利影響，從而降低加鋪層拉剪應(yīng)力，此外還增加了白加黑路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度。另外面層厚度變大，也增加了裂縫擴(kuò)展距離，從而延長(zhǎng)使用壽命。

3.1.3 裂縫緩解層

在瀝青加鋪層與原水泥面層之間設(shè)置開級(jí)配瀝青碎石混合料緩解層。該混合料含有25%～35%孔隙（連通狀態(tài)），該緩解層可抑制下部水泥面層板接縫位置產(chǎn)生的彎沉差向上部瀝青加鋪層的傳遞，由此達(dá)到減少反射裂縫產(chǎn)生的作用。

3.1.4 破碎穩(wěn)固

若水泥面層損壞很嚴(yán)重，修復(fù)板已不經(jīng)濟(jì)，宜采用破碎穩(wěn)固的措施。通過(guò)破碎機(jī)將面板分成為60～100 cm不等碎塊，后用碾壓機(jī)進(jìn)行碾壓，使大小碎塊嵌固在路面基層上，碾壓應(yīng)盡量使碎塊頂面無(wú)明顯空隙。當(dāng)板塊的尺寸減小后，溫度變化產(chǎn)生的位移也會(huì)被極大降低，對(duì)應(yīng)也就減小了瀝青加鋪層的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力。此外，接縫兩側(cè)彎沉差也會(huì)隨板塊尺寸的減小而減小。

3.1.5 設(shè)置夾層

在水泥面層和瀝青加鋪層之間設(shè)置夾層，該夾層的設(shè)置可使瀝青面層底與水泥路面容易應(yīng)力集中的接縫部脫離，從而減小其應(yīng)力或應(yīng)變，改變其抗拉、抗剪能力。夾層主要分為三大類。

3.1.5.1 橡膠瀝青

這一夾層有應(yīng)力吸收的作用，高彈性、低勁度，厚度10～50 mm，模量10～100 MPa。通過(guò)降低舊面層加鋪層之間黏附力，使二者容易滑動(dòng)，以此減少溫度變化影響。此外由于隔開了加鋪層與接縫端部接觸，還可降低加鋪層底面受荷。

3.1.5.2 土工織物

這一夾層通常包括聚丙烯、聚乙烯等無(wú)紡織物，厚度在0.4～4 mm之間，模量約為10～60 MPa，臨界應(yīng)力約為5～20 MPa，臨界應(yīng)變40%～140%。無(wú)紡織物夾層和橡膠瀝青應(yīng)力吸收夾層作用類似，由于其模量高，該夾層還可起加筋作用。

3.1.5.3 格柵

這種夾層通常包括聚丙烯、玻璃格柵、金屬格柵等。厚度約0.8～11 mm，模量約為900～2 500 MPa。其中金屬格柵厚度多為2～4 mm，模量可達(dá)8 000～10 000 MPa。與前兩種夾層相比，格柵的缺點(diǎn)是剛度較大、溫度變化對(duì)其影響大，但它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力控制作用效果顯著。

3.2 防反效果評(píng)價(jià)

a）鋸切橫縫可減少反射接縫或裂縫處的邊緣碎裂，但接縫的養(yǎng)護(hù)十分重要，若接縫處理不好就會(huì)適得其反，反而加速路面性能的喪失。同時(shí)這一措施只用于狀況良好的舊路面結(jié)構(gòu)。

b）增加加鋪層厚度的局限性首先是受到路面標(biāo)高的限制，增加厚度也會(huì)大幅度增加造價(jià)；此外瀝青混合料在高溫下的蠕變易產(chǎn)生車轍，從而減弱了白加黑水泥基層強(qiáng)基薄面的優(yōu)勢(shì)。

c）開級(jí)配瀝青碎石混合料緩解層的設(shè)置必須妥善處理表面水滲透問(wèn)題。此外，這種裂縫緩解層無(wú)法控制剪切型反射裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。

d）破碎穩(wěn)固使得原水泥面層結(jié)構(gòu)剛度喪失，混凝土層性狀處于柔性狀態(tài)，無(wú)法利用原有的剛度。

e）夾層剛度不同，防反作用也不同。軟夾層可有效減少溫度引起的反射裂縫，硬夾層可有效降低荷載產(chǎn)生的反射裂縫，但對(duì)溫度產(chǎn)生的反射裂縫控制效果不佳。因此夾層選擇應(yīng)針對(duì)反射裂縫產(chǎn)生的主因。夾層實(shí)際效果主要是由于面層結(jié)構(gòu)狀況、反射裂縫產(chǎn)生復(fù)雜多變，設(shè)計(jì)前調(diào)查不清楚導(dǎo)致選用不當(dāng)。

各項(xiàng)措施都可以在防治反射裂縫中起到一定作用，同時(shí)也存在一定局限性，選擇措施時(shí)應(yīng)針對(duì)工程中路面結(jié)構(gòu)、工程環(huán)境等實(shí)際情況，綜合成本、控制效果等幾個(gè)方面，確定防反射裂縫方法[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

反射裂縫的防治是舊路加鋪改造工程面臨的技術(shù)難題，因此本文通過(guò)分析計(jì)算得到以下結(jié)論，為解決該類問(wèn)題提供一些新的思路：

a）反射裂縫產(chǎn)生的原因和發(fā)展的機(jī)理，根據(jù)其發(fā)展模式分為剪切型反射裂縫及張拉型反射裂縫，交通荷載與溫度作用是其產(chǎn)生的主因。

b）計(jì)算不同瀝青加鋪層厚度、不同瀝青加鋪層模量，水泥板塊裂縫及其周邊區(qū)域的應(yīng)力與變形變化情況，通過(guò)剪切應(yīng)力、最大主應(yīng)力、豎向位移等幾項(xiàng)參量的變化規(guī)律，分析其對(duì)裂縫發(fā)展的影響。

c）反射裂縫的防治主要有切縫、罩層、設(shè)置夾層等方法，分析了其處治基本原理，并對(duì)各類方法的局限性進(jìn)行討論。