水泥路面加鋪層反射裂縫防治措施研究

曾永亮

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著我國早期建設(shè)的水泥路面逐漸老化進入養(yǎng)護期，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也是難點問題，為此研究反射裂縫形成機理并提出相應(yīng)的防治措施，將對舊路改造工程提供有益的幫助。

1 反射裂縫產(chǎn)生機理

研究表明，瀝青加鋪層反射裂縫的擴展模式主要有兩種：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)過接縫或者裂縫時，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)力超過瀝青材料抗彎拉、抗剪強度，就會產(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)進行，降溫時會導(dǎo)致此位置的加鋪層出現(xiàn)拉應(yīng)力集中。若拉應(yīng)力超過加鋪材料的抗拉強度，便會出現(xiàn)開裂的情況[1]。

一般反射裂縫會首先產(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)生了動水壓力，動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擴展階段。

1.1 縱向擴展

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)荷載方式會產(chǎn)生不同發(fā)展路徑。

1.2 橫向擴展

橫向反射裂縫不可能一出現(xiàn)即橫向貫穿整個路面。往往是首先在某些位置產(chǎn)生細小橫向裂縫，后逐漸向兩側(cè)發(fā)展，這些位置通常是在輪跡處，因為車輛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 反射裂縫計算分析

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

2.1 有限元計算模型

公路是線性長條基礎(chǔ)構(gòu)筑物，可以把該類計算對象簡化成平面應(yīng)變模型進行分析，為體現(xiàn)出無限大空間基礎(chǔ)特性，公路結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)多擴大尺寸來模擬。計算將公路面層、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屈服準則模擬。

表1 計算參數(shù)選取

圖1 計算有限元模型

2.2 計算結(jié)果分析

考慮瀝青加鋪層厚度對下部水泥板塊裂縫應(yīng)力分布影響；計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，說明瀝青厚度增加對裂縫發(fā)展有延緩的作用。但剪應(yīng)力變化曲線顯示，達到14 cm厚度加鋪層，瀝青厚度對剪應(yīng)力的影響不是很明顯。

考慮瀝青變形模量對裂縫及其周邊區(qū)域的影響，加鋪層采用設(shè)計厚度12 cm，對應(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作用下裂縫擴展隨路面變形模量增加而增大，據(jù)此得出，冬天氣溫低時路面模量高，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，通過添加改性材料或更改級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 反射裂縫的防治對策

水泥混凝土路面加鋪瀝青面層是典型修補方法，這種復(fù)合形式路面結(jié)構(gòu)剛?cè)嵯酀?，包涵了兩種材料的優(yōu)點，既有穩(wěn)定堅實的水泥混凝土基層，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、錯臺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。反射裂縫本身對路面影響不大，但受外部環(huán)境影響的裂縫擴散將會減少加鋪層壽命。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。通過預(yù)先切縫，可釋放瀝青面層內(nèi)因為溫度變化受阻而產(chǎn)生的應(yīng)力，并預(yù)留板塊斷面移動的空間，以此達到減少隨意裂縫產(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，也增加了裂縫擴展距離，從而延長使用壽命。

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重，修復(fù)板已不經(jīng)濟，宜采用破碎穩(wěn)固的措施。通過破碎機將面板分成為60～100 cm不等碎塊，后用碾壓機進行碾壓，使大小碎塊嵌固在路面基層上，碾壓應(yīng)盡量使碎塊頂面無明顯空隙。當板塊的尺寸減小后，溫度變化產(chǎn)生的位移也會被極大降低，對應(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。通過降低舊面層加鋪層之間黏附力，使二者容易滑動，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8 000～10 000 MPa。與前兩種夾層相比，格柵的缺點是剛度較大、溫度變化對其影響大，但它的優(yōu)點是對荷載產(chǎn)生的應(yīng)力控制作用效果顯著。

3.2 防反效果評價

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)護十分重要，若接縫處理不好就會適得其反，反而加速路面性能的喪失。同時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高的限制，增加厚度也會大幅度增加造價；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基薄面的優(yōu)勢。

c）開級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題。此外，這種裂縫緩解層無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)針對反射裂縫產(chǎn)生的主因。夾層實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)計前調(diào)查不清楚導(dǎo)致選用不當。

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

4 結(jié)語

反射裂縫的防治是舊路加鋪改造工程面臨的技術(shù)難題，因此本文通過分析計算得到以下結(jié)論，為解決該類問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，通過剪切應(yīng)力、最大主應(yīng)力、豎向位移等幾項參量的變化規(guī)律，分析其對裂縫發(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，并對各類方法的局限性進行討論。