瀝青路面裂縫成因與防治路徑探討

馬書奇

摘要:瀝青路面開裂的形式和原因多種多樣,但結(jié)構(gòu)性裂縫、溫度裂縫、反射裂縫是瀝青路面開裂的主要原因,應(yīng)針對其原因做好相應(yīng)的防治。

關(guān)鍵詞:瀝青路面;裂縫成因;預(yù)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(shè)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(xiàn)于路面兩側(cè),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(zhì)量不好或結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)承載力不足引起的縱縫多出現(xiàn)在路面邊緣,由于路基濕軟造成承載力不足,從而導(dǎo)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(guān)系不大。它的出現(xiàn),標志著瀝青已顯著老化。塊狀裂縫有時是大面積出現(xiàn)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(fù)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(fù)作用次數(shù)的增加,平行縱縫間出現(xiàn)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(fù)行車荷載的車道上,通常不會出現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)彎時造成面層的滑移和變形,從而出現(xiàn)滑移裂縫。

綜合以上國內(nèi)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(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性裂縫、由瀝青面層溫度變化產(chǎn)生的溫度裂縫、由基層裂縫的向上反射產(chǎn)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(yīng)力分析

2.1結(jié)構(gòu)性裂縫

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,半剛性基層材料的應(yīng)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(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。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。

2.3低溫收縮裂縫

瀝青材料在較高溫度條件下,具有良好的應(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。

2.4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(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,最終達到極限抗拉強度使路面產(chǎn)生裂縫。

2.5面層溫度應(yīng)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(chǎn)生的溫度應(yīng)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(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。

2.6半剛性路面的反射裂縫和對應(yīng)裂縫

(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車輛荷載引起的路面結(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)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。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(guān)。

(3)由水泥穩(wěn)定土的膨脹性化學(xué)腐蝕開裂引起的反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫。

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