剛柔復合式路面反射裂縫防治淺談

重慶交通大學 400074

摘要：相關資料和大量工程實踐表明，復合式路面的一個致命缺點就是反射裂縫。本文通過對復合式路面反射裂縫的形成機理及擴散機理進行分析，提出防治復合式路面反射裂縫的措施。

1 引言

剛柔復合式路面在溫度和濕度的雙重作用下，基層混凝土板易產生溫縮和干縮裂縫，在交通荷載循環作用下，這些裂縫很容易擴展到瀝青面層，形成反射裂縫；再加上基層水泥板接縫處因撓度差異所產生的反射裂縫，直接影響到路面的連續性與整體性，更為嚴重的是雨水可能通過反射裂縫滲入基層或路基土，使之產生唧泥、脫空、斷板等病害；大大降低了路面的強度與穩定性，導致路面在遠未達到設計年限時就出現了不同程度的結構性損壞，嚴重影響了路面的使用壽命。鑒于剛柔復合式路面反射裂縫的普遍性與嚴重性，本文同過對復合式路面反射裂縫的形成機理及擴散機理進行分析，提出防治復合式路面反射裂縫的幾點措施。

2 反射裂縫產生機理

剛柔復合式路面的反射裂縫主要有兩種：荷載型反射裂縫和非荷載型反射裂縫。荷載型反射裂縫主要是由車輛荷載引起的，是本文研究的主要對象。下面首先從受力角度和協調變形角度分別闡述路面反射裂縫的產生機理。

（1）受力角度

各國道路工作者普遍認為，路面反射裂縫是在內因和外因的綜合作用下產生的。內因主要源于水泥混凝土基層板在施工和使用過程中產生的不規則縫隙，外因主要來自于車輛荷載等外界環境作用。新建復合式路面水泥混凝土基層施工完成后會進行預切縫處理，連同因熱脹冷縮產生的溫度型裂縫，致使水泥混凝土基層板上存在許多間斷型斷裂地帶，雖然施工后會采用硅膠等材料進行填補，但在車輛荷載作用下裂縫遲早會沿施工縫發展；再加上局部水泥混凝土板存在脫空或基層軟弱等不利因素，致使路面結構在外荷載作用下產生的應力和位移在基層裂縫處不連續，尤其是瀝青面層底部，無論是在交通荷載還是溫度荷載作用下，裂縫附近產生的應力都很大且具有明顯的奇異性，距離裂縫尖端越近應力越大，當無限靠近于裂縫尖端時其應力趨于無窮大，而瀝青混合料抗彎拉性能較差，當瀝青面層底部所受的彎拉應力或剪切應力大于瀝青混合料自身的抗拉強度時便會產生反射裂縫。反射裂縫產生后，裂縫處應力松弛，應力得到重分布，如果重分布后的應力仍大于瀝青混合料的極限抗拉強度，裂縫將繼續擴展形成第二批反射裂縫；之后再進行應力重分布，直到裂縫尖端處應力值小于瀝青混合料的極限抗拉強度，裂縫才會停止擴展。

如圖2.1所示，當車輛在裂縫左側行駛時（a點以左），由于裂縫兩側存在豎向位移差，此時瀝青面層底部會受到一次剪切作用；當車輪繼續前行到達裂縫正上方b點時，基層板受力均勻，基本不會產生豎向位移差，瀝青面層底部主要受到彎拉作用；而當車輪荷載駛離c點時瀝青面層底部再次受到剪切作用，但方向與第一次剪切作用正好相反。因此，每當有車輛經過裂縫時，瀝青面層底部就會受到一次“剪切-彎拉-剪切”應力循環作用，當瀝青面層底部受到的破壞應力大于瀝青混合料自身容許應力時即會產生反射裂縫，此荷載型反射裂縫的產生過程是在受力角度進行闡述的。

圖2.1 車輛荷載作用模擬圖

Fig.2.1 Mimic diagram of vehicle loads

（2）協調變形角度

重慶交通大學的易志堅從協調變形角度分析了反射裂縫的產生機理。假設圖2.2中同一字母所示的點為路面內部的兩相鄰點，在荷載應力作用下，瀝青面層和水泥板基層內會產生變形，但不同部位變形量大小有所不同，位于裂縫同側的兩個相鄰點會保持良好的變形協調性，比如B點和B1點、C點和C1點、D點和D1點、E點和E1點；而裂縫兩側的A點和A1點的變形卻不協調，A和A1兩點之間的變形量大于其他任何位置兩點之間的變形量，實際上A和A1之間的變形量反映了路面板的整體變形量。這種變形特點會使得裂縫附近的應變遠大于路面的平均應變，而應變的產生源于路面受到的應力作用，因此，裂縫尖端部位會產生應力集中現象，反射裂縫隨之產生。

圖2.2 相鄰點變形量圖示

Fig.2.2 Deformation of adjacent points

3 反射裂縫擴展機理分析

反射裂縫的擴展途徑主要有兩種：縱向擴展和橫向擴展。反射裂縫沿縱向擴展是指在荷載應力和溫度應力作用下裂縫將在瀝青面層頂面和底面同時產生，然后向中部擴展直至貫穿瀝青面層；對于荷載型反射裂縫，當受到正載作用時，反射裂縫產生于瀝青面層底部，在車輛交變荷載作用下垂直向上擴展，為典型的張開型反射裂縫；而當受到偏載作用時，反射裂縫一般產生于瀝青面層底部，并且基本沿45°方向向面層頂部擴展，為典型的剪切型裂縫；當兩者綜合作用時，擴展路徑將介于兩種不同模式之間。反射裂縫橫向擴展方向與縱向擴展方向相互垂直，反射裂縫的橫向擴展會消耗掉部分應力，間接延緩了反射裂縫的縱向擴展速度，即橫向裂縫的發展有利于提高路面的防反性能。

反射裂縫擴展過程會經歷三個階段：①反射裂縫萌生階段，當應力超過瀝青面層底部容許彎拉應力時產生開裂，即使面層底部總應力未超過瀝青混合料容許應力，但隨著循環加載次數的增加同樣會產生疲勞開裂；②反射裂縫穩定擴展階段，此時受力較為穩定，裂縫擴展速度不會出現較大波動；③反射裂縫不穩定擴展階段，當裂縫擴展至臨界長度后，將發生失穩破壞，此時反射裂縫將迅速貫穿瀝青面層。

4 防治反射裂縫的措施

4.1 設置應力吸收層

應力吸收作用是防治路面產生反射裂縫的關鍵因素之一。為了盡大限度地發揮防裂材料的應力吸收作用，應力吸收夾層材料應選取模量較低、變形小、耐高溫、厚度適中的彈性材料，要防止因夾層豎向變形過大而影響到路面整體結構的防反性能。

4.2加鋪強加筋材料

加筋作用是防治路面反射裂縫的另一關鍵因素。所謂加筋，是指利用防裂材料改善瀝青面層防反性能的行為。加筋作用的大小主要取決于加筋材料間的交織作用、與相鄰構造物之間的磨擦作用、加筋材料自身的抗拉性能以及橋聯增韌作用。重載交通條件下最好選用抗拉強度高、變形小、耐高溫、抗腐蝕、性價比高的強加筋材料作為防反材料。

4.3 增加加鋪層厚度

增加瀝青加鋪層厚度可顯著提高復合式路面的防反性能，一是厚加鋪層條件下增大了荷載的受力面積，使裂縫處應力集中程度大幅減小；二是瀝青加鋪層越厚，反射裂縫擴展到面層的距離越長。因此，在有條件情況下可通過增加瀝青加鋪層厚度提高路面的整體防反性能，但并非厚度越大防反性能越好。當瀝青加鋪層較薄時，防反性能隨著厚度的增加顯著提高，而后隨著厚度的增加防反性能提高緩慢，甚至超過一定厚度后不利于路面的整體路用性能；而且隨著瀝青加鋪層厚度的增加，資金投入量明顯加大。通常情況下，瀝青加鋪層的厚度介于15cm～18cm，分兩層或三層攤鋪完成。

參考文獻：

[1]蔣應軍.重載交通水泥混凝土路面[M].中國科學技術出版社，2009.

[2]胡長順，王秉剛.復合式路面設計原理與施工技術[M].人民交通出版社，1999.

[3]劉林才.舊水泥混凝土路面狀況分析及瀝青加鋪層質量監控[D].廣州：華南理工大學，2011.

[4]劉艷春.復合式路面反射裂縫的力學分析及防治措施[D].合肥：河北工業大學，2001.

[5]周娟蘭.設置應力吸收層的復合式路面動態響應及抗裂機理分析[D].西安：長安大學，2011.

[6]周富杰.防治反射裂縫的措施及其分析[D].上海：同濟大學，1998.

[7]周富杰，孫立軍.防治反射裂縫的措施及分析[J].華東公路，1996（5）：25-31.

[42]易志堅.從變形協調關系看路面反射裂縫的形成機理[J].重慶交通學院學報，2003，22（4）.