半剛性基層瀝青路面裂縫成因分析

郝艷輝 李 勝

摘要:我國《公路瀝青路面養護技術規范》(JTJ073.2-2001)將瀝青路面破損分為裂縫類、松散類、變形類及其它類等四大類。JTJ073.2-2001對瀝青路面裂縫類破損分類分級《公路設計手冊路面》(第一版)中對瀝青路面裂縫損壞作了相應分類。

關鍵詞:半剛性基層;反射裂縫;應力強度

中圖分類號:TU57+1

文獻標識碼:A

文章編號:16723198(2009)20029601お

1瀝青路面裂縫應力分析

1.1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。

1.2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。

1.3溫度疲勞裂縫

這種裂縫主要發生在日溫差大的地區。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。

1.4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半剛性路面的反射裂縫和對應裂縫

2.1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,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。

2.2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。

2.3由水泥穩定土的膨脹性化學腐蝕開裂引起的反射裂縫或對應裂縫

這種情況發生的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生交替反應,生成一種新的鹽結晶,造成水泥穩定土體積開裂或引起破壞。

3影響裂縫產生的主要因素

3.1瀝青及瀝青混合料的性質

瀝青路面所鋪筑瀝青混合料主要由瀝青結合料、粗集料、細集料和礦粉等多種成分組成的復合材料。在混合料組成中,由于材料質量的差異和數量的多少,可形成不同的組成結構,表現為不同的物理力學性能。瀝青和瀝青結合料的性質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鍵。在瀝青性能指標中,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

基層材料的收縮性愈小,面層裂縫愈少。基層上有透層油以加強與面層的粘結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、低溫持續時間、升降溫循環數次數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力,通常是由最重的車輪荷載產生的;并且對于半剛性路面,不同軸載對路面的破壞作用遠不是4次方的關系,而是約為16次方的關系,即使是通過次數較少的重荷載也對路面破壞起著決定性的作用。

3.5設計原因

(1)結構設計不合理。如基層厚度不夠,面層分層及材料配合比設計不當,面層厚度不合理。

(2)路面、基層、底基層排水設計考慮不周。

(3)路面所處段土質和水文情況與實際出入較大,使得路面設計參數不符合實際。

(4)地基處理設計不合理,使得地基沉降未達到允許的工后沉降等。

4結語

本章對瀝青路面裂縫進行了分類,探討了瀝青路面裂縫產生的主要因素,得出如下結論: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。