高速公路瀝青路面裂縫成因分析

宋 丹

摘要:瀝青路面的低溫開裂有兩種形式:一種是由于氣溫驟降造成面層溫度收縮,在有約束的瀝青層內產生的溫度應力超過瀝青混凝土的抗拉強度時造成的開裂;另一種形式是溫度疲勞裂縫。半剛性基層具有強度高、穩定性好、剛度大等特點,水泥穩定碎石基層瀝青路面是我省乃至我國目前廣泛使用的路面結構形式。

關鍵詞:高速公路;半剛性瀝青路面;橫向裂縫;原因;防治

中圖分類號:U416

文獻標識碼:A

文章編號:16723198(2009)20032502お

1縱向裂縫成因分析

1.1沉降縱向裂縫

路基填土較高而地基土層承載力相對較低的情況下,路基產生不均勻沉降,由于地基下沉,路面橫坡由施工時7%降為3-4%,涵洞測橋中間施工縫豎向開裂,呈上窄下寬開裂八字型,邊溝反高隆起等現象發生。由于路面發生較寬的縱向裂縫,路基出現沉降拱。保津高速公路測量數據也表明,路基的不均勻沉降主要是由路基自重所引起的,這樣,路基中部沉降量將大于路基邊緣的沉降量,形成沉降拱。

1.2荷載型縱向裂縫

所調查高速公路的縱向裂縫以行車道(最右側)最為嚴重。由于行車道集中了高速公路絕大部分重載車輛以及超載車輛,這些車輛行車速度緩慢、接地壓強高,會在半剛性基層的底部產生極大的拉應力。在行車荷載的反復作用下,當半剛性基層的底部的疲勞拉應力超過半剛性基層材料的抗拉強度時,半剛性基層的底部就會開裂并逐漸在裂縫兩側形成板塊。隨著行車荷載的反復,相鄰板塊端部之間會產生豎向位移差,引起面層的剪切疲勞而導致開裂作用。底部裂縫會逐漸擴展到上部,并使得瀝青面層產生開裂破壞。

2影響裂縫的因素

2.1自然環境因素與裂縫

導致瀝青路面產生裂縫的自然環境因素主要有溫度應力、水分(降雨)及陽光、空氣的作用,其中以溫度為主導作用。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。瀝青面層的非荷載型裂縫主要是溫度裂縫。

2.2結構、荷載特性與裂縫

2.2.1結構層厚度、模量與裂縫

(1)面層厚度。

面層結構越厚溫度裂縫和反射裂縫出現的時間越晚、數量越少,合適的瀝青面層厚度也可以保護未開裂的半剛性基層在使用期間不產生干縮裂縫和溫度裂縫。

(2)基層厚度。

我國的高速公路路面結構大部分使用的是半剛性基層,半剛性基層的結構性破壞裂縫由行車荷載產生。影響半剛性基層底面拉應力大小的主要因素有:面層厚度、基層本身的厚度、基層的彈性模量和下承層的彈性模量,其中基層彈性模量的影響程度最大。

(3)基層強度。

水泥穩定基層材料的強度越高,剛性越大,基層材料與底基層材料的模量比也越大,從而增大基層底面由行車荷載引起的拉應變或拉應力,容易使基層在行車荷載下產生開裂。另一方面,水泥穩定基層材料的強度高,基層內出現的收縮裂縫的間距就大,裂縫的寬度也大。

2.2.2結構組合的影響

(1)半剛性基層。

半剛性基層上有較厚的瀝青面層時,路面表面的裂縫主要是瀝青面層本身的溫度裂縫,隨著裂縫的增長和延伸導致最后基層的破壞,此時由半剛性基層引起的對應裂縫即使有,也是很次要的。

(2)柔性基層。

柔性基層材料對由于路基不均勻沉降產生的裂縫有抑制,減輕半剛性基層反射裂縫的影響。目前,國際上普遍采用的柔性基層有瀝青穩定碎石、級配碎石等。

2.2.3地基及路基土質

在半填半挖路基或路面加寬處,由于壓實度不好,高填方路段路基土滑移,路基或基層會出現沉降縱向裂縫。

軟土地基段由于其高壓縮性與承載能力的不均勻分布,容易出現不均勻沉降,基層受拉或受剪,出現較大變形。當變形超過二灰碎石基層與瀝青面層的抗變形能力,瀝青面層與基層被拉裂,出現橫向、縱向裂縫。

2.2.4荷載因素

超載在我國十分普遍,而且超載車的比例呈逐漸上升的趨勢。軸重的增加導致一個直接的后果就是輪胎胎壓的相應提高,而輪胎胎壓的提高直接影響到輪載作用于路面的壓力分布形狀和量值大小,從而導致面層、基層受到超常的應力作用,產生裂縫。

2.3材料因素與裂縫

(1)瀝青混凝土。

瀝青的品種和質量是影響瀝青路面溫度開裂的主要原因。

(2)半剛性基層材料。

干燥收縮是由于混合料失去水分引起的,混和料中游離水分的減少縮小了顆粒間的空隙。

2.4養護對策研究

(1)瀝青材料和瀝青混合料。

瀝青路面的溫縮裂縫的發生與瀝青結合料和瀝青混合料的低溫抗裂性能直接相關,提高瀝青及瀝青混合料的質量對于減少及防止橫向裂縫有重要的影響。采用改性瀝青,例如SBS改性瀝青對瀝青結合料的抗裂性能起到重要作用。

(2)半剛性基層材料。

①調整無機結合料穩定集料的礦料級配,增加粗集料用量,減小細粉含量,使集料混合料盡可能形成嵌擠結構。②適當降低半剛性基層的強度和剛度。一般而言,強度和剛性越大的混合料,收縮性能也越大,材料的極限拉伸應變越小,越容易開裂。這一點早在“七五”國家攻關課題中就已經得到了充分的試驗驗證。

3路基

路基填方較高,路基土自重對路面結構變形有決定性影響,是產生不均勻沉降進而誘發縱向裂縫、橫向裂縫的主要原因。通過加強路基土的穩定處理可以減小路面結構厚度,與使用密度小的路基填料結合,可以減少由于高填方路基不均勻沉降產生裂縫的可能性,同時也可防止平整度惡化,防止交通事故。

裂縫只是病害的一種中間形態,如果及時養護、封縫,對路面本身的行駛質量不會造成太大的影響。如果屬地基下沉造成的縱向裂縫,必須有針對性地進行施治,否則會越來越嚴重。目前,國內外瀝青路面裂縫修補已有一些通常的作法,一般可根據裂縫的寬度和深度確定具體的修補工藝,根據路面裂縫的實際情況主要采用以下幾種方法對裂縫進行養護處理。

壓漿法、普通瀝青灌縫、SBR改性乳化瀝青灌縫、灌縫膠修補裂縫、使用抗裂貼。

一般來說,裂縫出現初期只需采用普通瀝青或改性瀝青進行常規灌縫,當裂縫寬度較大時,則采用開槽灌注密封膠的方法。該方法密封裂縫的有效率高,使用壽命長。針對裂縫病害的其它治理措施有設置預切縫、瀝青表面處治措施、路面挖補及罩面、局部換填柔性基層。

本文結合高速公路的典型裂縫病害資料,對高速公路瀝青路面裂縫類病害的分布、發展、產生原因及常用的裂縫治理措施進行了總結,得出以下結論。調查結果顯示橫向裂縫的貫通狀況、間距分布上表現出一致的規律,顯示出較強烈的非荷載特性,這些信息客觀地說明橫向貫通裂縫的產生與環境溫度、材料、結構組合有重要關聯。調查結果顯示,對裂縫的承受能力,SMA顯示出略優于SAC或AC-16Ⅰ型普通密級配的趨勢。從路面結構設計、材料等方面提出高速公路瀝青路面裂縫的預防措施,著重總結現有路面裂縫的常用治理方法,并詳細介紹采用柔性基層治理路面縱向裂縫的方案。