瀝青混凝土路面加鋪層反射裂縫成因分析及防治措施研究

孟叢叢，柳海龍，況小根

(1.江西交通職業技術學院；2.江西省高速公路投資集團有限責任公司)

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瀝青混凝土路面加鋪層反射裂縫成因分析及防治措施研究

孟叢叢1，柳海龍2，況小根2

(1.江西交通職業技術學院；2.江西省高速公路投資集團有限責任公司)

分析了瀝青混凝土路面加鋪層反射裂縫的產生和發展過程，用有限元軟件從斷裂力學的角度分析瀝青層厚度、瀝青層模量對裂縫發展的影響。在瀝青加鋪層設計時，可通過添加改性劑、改變集料級配或混合料組成等措施提高混合料的抗變形能力。

瀝青加鋪層；反射裂縫；應力分析；防治措施

0 概 述

由于車載和環境作用，使用一定年限后，瀝青路面使用性能會逐年下降，出現不同程度的破壞。當路面的結構承載力和表面功能退化到一定程度，或其通行能力已不滿足交通量要求，需要采取處治措施以恢復路面功能，達到提高道路通行能力的目的。常用處治措施是路面加鋪，加鋪主要發揮以下作用：(1)修復舊路病害；(2)恢復承載能力；(3)恢復路表功能。

瀝青路面加鋪層結構形式可以簡單劃分為三類：第一類是直接加鋪瀝青混合料面層；第二類是先加鋪水泥穩定類等半剛性基層，再加鋪瀝青混合料面層；第三類是直接加鋪水泥混凝土層。

1 反射裂縫的產生和發展機理

路面加鋪層結構大部分采用的是第一類，即直接加鋪瀝青混合料面層，加鋪后，加鋪層下面原有未經處理的裂縫可能會向上發展，導致加鋪層出現裂縫，這種裂縫與下層路面結構原有裂縫存在一一對應關系，稱之為反射裂縫。認識反射裂縫的發展過程，對處治此類病害具有重要意義。反射裂縫發展包括產生和擴展兩個階段。

1.1 反射裂縫的產生階段

舊路面加鋪瀝青混合料后形成的路面結構特性與按照彈性層狀體系設計的新建瀝青路面結構應力應變特性差別較大。由于作為基層的舊路面存在裂縫，降低了路面的整體強度，在環境溫度應力與行車荷載應力的雙重作用下，瀝青混凝土加鋪層的應力狀態非常復雜。按照作用的不同，反射裂縫可以分為兩種。

(1)行車荷載作用導致的荷載型反射裂縫。當車輛從不連續的板體駛過時，裂縫兩側板體產生豎向位移，形成較大的剪切應力作用于瀝青混凝土加鋪層，導致形成荷載型反射裂縫，這是反射裂縫產生的最主要原因。

圖1 反射裂縫的產生

(2)環境溫度作用導致的溫度型反射裂縫。瀝青混凝土路面由于長期暴露在室外環境下，路面需要承受周期性外界氣溫變化的影響，舊路面和瀝青加鋪層整個路面結構會發生熱脹冷縮，結構內部與表面的熱脹冷縮不一致就會形成溫度應力。在裂縫處的舊路面的應力，由于不連續，瀝青加鋪層既承受自身內部結構所產生的溫度應力，又需要承受舊路面所產生的溫度應力。當在氣溫較低的冬季時，這種應力現象更加明顯，導致舊路面裂縫處的加鋪結構層承受過大拉應力，致使路面開裂，形成溫度型反射裂縫。

1.2 反射裂縫的擴展階段

從反射裂縫開始在瀝青加鋪層產生，到瀝青路面完全被破壞，瀝青路面需要經歷擴展過程。反射裂縫產生后先縱向擴展(縱向擴展是在厚度方向)，再橫向擴展(橫向擴展是在表面)。

(1)反射裂縫的縱向擴展

反射裂縫的縱向擴展模式按照斷裂力學理論可以劃分為三類：張開模式、剪切模式和撕開模式。見圖2。

圖2 裂縫縱向擴展模式

溫度應力一般是以張開模式作用反射裂縫。

行車荷載應力一般是以剪切、張開模式作用反射裂縫。

①車輪荷載作用于裂縫正上方時，行車荷載應力以張開模式來作用于反射裂縫。

②車輪荷載作用于裂縫前后位置時，行車荷載應力是以剪切模式作用于反射裂縫。

(2)反射裂縫的橫向擴展

反射裂縫的橫向發展過程：一般是裂縫先在路表面某個位置產生，再向橫向兩側擴展。在路面寬度范圍之內，由于溫度應力對反射裂縫的作用基本相同，而行車荷載受行駛軌跡的影響，在車道上的分布并不均勻，尤其是在渠化交通的道路上，在行車荷載輪跡位置出現反射裂縫的情況更多。

環境因素的負效應也對面層開裂有較大的影響。反射裂縫一旦出現，在行車荷載的反復作用下，雨水、空氣等外界因素立即侵入，加速了反射裂縫向四周擴展的速度。

2 應力應變分析

采用ABAQUS分析軟件進行路面應力分析，假定路面結構為平面應變模型，以等參單元作為此次分析的基本有限元單元。

為了分析反射裂縫在車輛行車荷載作用下的擴展規律，假設舊路面在寬度范圍內有一條貫穿裂縫，有限元分析的基本力學模型取單圓荷載作用下的4層連續體系。最不利行車荷載位置如圖3，圖4所示，忽略分析過程中動荷載效應的影響。

圖3 裂縫受對稱加荷

圖4 裂縫受非對稱加荷

加鋪層材料類型E/MPaH/cmμ上面層SMA13或AK13140040．25中面層AC25120080．25瀝青穩定碎石層ATB301000160．25舊瀝青基層1500200．25舊路面土基100-0．25

在整個計算中作以下基本假定(計算參數見表1)：

(1)地基、基層、瀝青混凝土等材料都假定為線彈性材料，且材料各向均勻、同性；

(2)各結構層完全相連；

(3)橫向裂縫貫穿瀝青混凝土路面整個寬度，各橫向裂縫之間的距離是相等的，且所有裂縫面均為自由面。

2.1 厚度影響

在非對稱荷載和對稱荷載作用兩種情況下，考慮瀝青穩定碎石基層不同厚度時，計算反射裂縫尖端的水平應力大小及應力強度。見圖5，圖6。

圖5 對稱荷載作用下水平拉應力

圖6 反射裂縫尖端在對稱荷載作用下應力強度因子

可見，對稱荷載作用的情況下，增加加鋪層厚度，裂縫尖端應力和強度因子呈線性遞增趨勢，到達12 cm的厚度后，這種變化趨于緩慢，最后呈下降的趨勢。

圖7 反射裂縫尖端在非對稱荷載作用下裂縫尖端剪應力

圖8 反射裂縫尖端在非對稱荷載作用下應力強度因子

圖7和圖8為反射裂縫尖端在非對稱荷載作用下裂縫尖端剪應力，非對稱荷載作用情況下，KⅠ(張拉型應力強度因子)是為負數，裂縫受壓。伴隨加鋪層厚度增加，KⅡ(剪切型應力強度因子)呈線性遞減趨勢，到達12 cm厚度后下降很快。綜合分析以上對稱荷載和非對稱荷載兩種情況，KⅡ(非對稱荷載作用產生)遠大于KⅠ(對稱荷載和非對稱荷載產生)，控制著路面裂縫擴展的是KⅡ。由此可知，在行車荷載作用下，增加瀝青混凝土加鋪層厚度，既可以延緩剪切型反射裂縫向上反射的速度，也可以降低面層底部裂縫尖端的應力集中。

2.2 模量影響

在非對稱荷載和對稱荷載作用兩種情況下，考慮瀝青穩定碎石基層不同模量時，計算反射裂縫尖端的應力大小。計算結果見圖9和圖10。

圖9 反射裂縫尖端在對稱荷載作用下水平拉應力

圖10 反射裂縫尖端在非對稱荷載作用下剪應力

對稱荷載作用情況下，水平應力隨模量的增加而增加。當模量≤500 MPa時，水平應力是負數，裂縫處于受壓狀態。當模量>500 MPa時，水平應力轉變為正數，當模量達到1 400 MPa后，水平應力增速減緩。

非對稱荷載作用情況下，剪應力隨模量的增加而減小。

在非對稱荷載和對稱荷載作用兩種情況下，考慮瀝青穩定碎石基層不同模量時，計算反射裂縫尖端的應力強度因子。計算結果見圖11和圖12。

圖11 反射裂縫尖端在對稱荷載作用下應力強度因子

圖12 反射裂縫尖端在非對稱荷載作用下應力強度因子

對稱荷載作用情況下，KⅠ(張拉型應力強度因子)正數，裂縫受拉。伴隨模量增加，KⅠ呈線性遞增趨勢。

非對稱荷載作用情況下，KⅠ(張拉型應力強度因子)是負數，裂縫受壓。伴隨模量增加，KⅠ和KⅡ呈線性遞增趨勢。

綜合分析以上對稱荷載和非對稱荷載兩種情況，KⅡ(非對稱荷載作用產生)遠大于KⅠ(對稱荷載和非對稱荷載產生)，控制著路面裂縫擴展的是KⅡ。

瀝青混合料是一種溫度敏感材料，溫度的變化對瀝青混合料的模量影響非常顯著，一般冬季時的模量是夏季時幾十倍。實踐也可以證明，瀝青路面在冬季出現反射裂縫的概率遠大于夏季。當溫度下降幅度和速度較快，加鋪層中反射裂縫也迅速發展。KⅡ隨模量增加而迅速遞增的特性，導致反射裂縫在冬季擴展速度顯著快于夏季。

因此，在瀝青加鋪層結構設計過程中，應通過改變集料級配或混合料組成、添加改性劑等方法降低瀝青混合料模量，以達到改善瀝青混合料的抗變形能力的目的。

3 結 語

(1)增加瀝青混凝土加鋪層厚度，既可以延緩剪切型反射裂縫向上反射的速度，也可以降低面層底部裂縫尖端的應力集中。

(2)在非對稱荷載和對稱荷載作用兩種情況下，伴隨瀝青加鋪層模量的遞增，KⅡ也將遞增。因此，在瀝青加鋪層結構設計過程中，應通過改變集料級配或混合料組成、添加改性劑等方法降低瀝青混合料模量，以達到改善瀝青混合料的抗變形能力的目的。

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2015-02-15

孟叢叢(1986-)，女，工程師，主要從事公路檢測、養護以及教學、科研工作。

U416.217

C

1008-3383(2015)12-0009-03