舊水泥路面加鋪瀝青砼反射裂縫的成因及防治措施

韓小娟 李明 甘采博

摘 要：本文簡(jiǎn)要分析了加鋪瀝青路面反射裂縫的成因、擴(kuò)展模式，進(jìn)而介紹了幾種常見(jiàn)的防治措施，對(duì)水泥混凝土路面的改造具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：瀝青加鋪層；反射裂縫；防治措施；應(yīng)力吸收層

中圖分類號(hào)：U416.26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The causes and dispose of reflective crack on old cement pavement floored with asphalt concrete overlay

HAN Xiao-juan，LI Ming，GAN Cai-bo

（School of Urban Construction ，University of South China， Hengyang ，Hunan 421001，China）

Abstract： This paper analyzes the causes of overlay reflective cracking of asphalt pavement ， extended mode ， and then describes several common preventive measures has certain reference significance for the transformation of the cement concrete pavement .

Key words： Asphalt overlay；Reflective cracking；Control measures；stress absorbing layer

水泥混凝土路面是一種強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)、耐久性好、反光性好、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、建筑材料易取的路面結(jié)構(gòu)，在高等級(jí)、重交通的道路上有著廣泛應(yīng)用。但隨著交通量的大幅度增長(zhǎng)和超重軸載的破壞作用，許多路面出現(xiàn)了路面斷板、角隅斷裂、錯(cuò)臺(tái)等病害，已不能滿足交通運(yùn)輸服務(wù)的需求，需要對(duì)其進(jìn)行維修改造。

在舊水泥路面上加鋪瀝青層被公認(rèn)為是一種可行且有效的恢復(fù)路面使用性能的措施，既充分利用了原有水泥路面的剩余強(qiáng)度，且具有造價(jià)低、施工方便、對(duì)環(huán)境和交通影響小等優(yōu)點(diǎn)。但由于舊路面板存在著接縫和裂縫，改造后的路面在溫度變化和行車荷載的反復(fù)作用下，瀝青加鋪層極易產(chǎn)生反射裂縫。反射裂縫的存在，不僅破壞了路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，而且一旦地表水沿反射裂縫向下滲透，在行車荷載作用下將很快導(dǎo)致裂縫的破碎和擴(kuò)展，致使瀝青面層逐漸失粘脫落，路基強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響了路面的使用壽命。

1.瀝青加鋪層反射裂縫形成機(jī)理

一般認(rèn)為，反射裂縫形成的過(guò)程可以分為兩個(gè)階段：反射裂縫的產(chǎn)生階段和反射裂縫的擴(kuò)展階段[1]。

1.1 反射裂縫形成原因

1.1.1 溫度型反射裂縫

溫度變化會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩種變形[2]：

（1） 由于晝夜溫差的存在，接縫處的瀝青加鋪層及水泥混凝土路面板將隨著溫度的變化分別產(chǎn)生收縮，從而引起反射裂縫的產(chǎn)生。

（2） 路面暴露在大氣中，受氣溫周期性變化的影響，致使各結(jié)構(gòu)層中溫度分布不均勻，又由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，造成水泥混凝土板及瀝青加鋪層收縮、翹曲，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青加鋪層產(chǎn)生反射裂縫。

1.1.2 荷載型反射裂縫

交通荷載主要引起瀝青加鋪層的剪切型反射裂縫。由于接縫、裂縫的存在，舊水泥混凝土路面作為基層的整體強(qiáng)度降低，而且在外力作用下，瀝青加鋪層處于三維應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)車輪荷載經(jīng)過(guò)接縫、裂縫時(shí)，接縫、裂縫兩側(cè)的板端出現(xiàn)豎向位移差，瀝青加鋪層在相應(yīng)位置將會(huì)承受較大的剪切應(yīng)力，如其超過(guò)瀝青加鋪層的抗剪強(qiáng)度，在接縫、裂縫處的瀝青加鋪層便會(huì)出現(xiàn)剪切型反射裂縫。

1.2 反射裂縫的擴(kuò)展模式

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，裂縫的擴(kuò)展主要有三種位移模式：張開(kāi)模式、剪切模式和撕開(kāi)模式，如圖1所示。在道路結(jié)構(gòu)中，不同種類的荷載以及荷載的不同作用方式會(huì)導(dǎo)致不同的開(kāi)裂模式，其中，溫度應(yīng)力對(duì)反射裂縫的影響模式為張開(kāi)模式；行車荷載對(duì)反射裂縫的主要影響模式為張開(kāi)模式和剪切模式。當(dāng)車輪位于裂縫的正上方時(shí)，以張開(kāi)模式來(lái)引起反射裂縫；當(dāng)車輪位于裂縫之前或之后的位置時(shí)，反射裂縫主要以剪切模式出現(xiàn)。撕開(kāi)模式在瀝青加鋪層中不常出現(xiàn)。

與張開(kāi)模式相對(duì)應(yīng)的溫度型反射裂縫通常產(chǎn)生于薄層水泥面層底部，而后逐漸向上擴(kuò)展到罩面層頂面。而當(dāng)罩面層為瀝青面層或面層較厚且氣溫較低時(shí)，裂縫則產(chǎn)生在面層的頂面和底面，而后逐漸向中間擴(kuò)展，形成對(duì)應(yīng)裂縫。

對(duì)于正荷載作用下的張開(kāi)模式所對(duì)應(yīng)的反射裂縫，一般產(chǎn)生于面層底面，在周期性荷載作用下垂直向上擴(kuò)展。對(duì)于偏荷載作用下的剪切模式所對(duì)應(yīng)的反射裂縫，一般產(chǎn)生于加鋪層底面，之后向上擴(kuò)展，其擴(kuò)展路徑在罩面層中是沿大約 45°角的方向向上擴(kuò)展。當(dāng)行車荷載和溫度應(yīng)力共同作用于復(fù)合路面結(jié)構(gòu)時(shí)，反射裂縫的擴(kuò)展介于偏荷載和溫度應(yīng)力單獨(dú)作用時(shí)裂縫擴(kuò)展路徑之間，比偏荷載作用時(shí)的裂縫擴(kuò)展路徑更垂直一些。

行車荷載與溫度荷載耦合作用對(duì)溫縮裂縫具有一定的影響，在這兩種荷載的共同作用下裂縫擴(kuò)展模式比較復(fù)雜，目前還缺少相應(yīng)的理論和試驗(yàn)研究。

2.幾種有效的防治反射裂縫措施

2.1破碎和碾壓舊水泥混凝土路面

在舊路面板損壞較為嚴(yán)重，斷板率較高，且對(duì)損壞板進(jìn)行修復(fù)后再采取其他措施已不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可將舊路面板進(jìn)行破碎和碾壓，作為下承層，再加鋪瀝青混凝土面層。破碎后塊體之間的裂縫需貫穿板厚，以分散和消減應(yīng)力、應(yīng)變，同時(shí)裂縫也不宜過(guò)寬，否則易引起行車荷載在裂縫處的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力集中[3]。蘇衛(wèi)國(guó)，李曉華[4]利用有限元軟件模擬了不同舊路面板破裂尺度對(duì)瀝青加鋪層荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力的影響以及對(duì)舊路面板回彈模量實(shí)測(cè)值的影響。隨著破裂尺寸的減小，瀝青加鋪層的荷載應(yīng)力只是有了小幅度減小，影響并不大，同時(shí)對(duì)溫度應(yīng)力的影響卻十分明顯，破裂尺寸越小，溫度應(yīng)力下降越迅速，但是破碎后舊路面板尺寸減小之后，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也隨之降低，在既能最大限度減少瀝青加鋪層反射裂縫，又能保證破碎舊路面作為新加鋪瀝青層基層滿足承載力的要求的同時(shí)，推薦破碎舊水泥混凝土路面板的破裂尺度為50～80cm。

2.2增加加鋪層厚度

適當(dāng)增加瀝青加鋪層厚度可以延緩反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。增加加鋪層厚度，一方面可以減少舊水泥路面板的溫度變化，降低加鋪層的拉應(yīng)力；另一方面可以增加路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，降低接縫處的彎沉差，減少加鋪層的剪切應(yīng)力[5]。但是加鋪層并不是越厚越好，當(dāng)面層厚度超過(guò)12cm后，其對(duì)反射裂縫的防治效果已不十分顯著，同時(shí)還增加路面造價(jià)，還會(huì)受到標(biāo)高的限制。普遍認(rèn)為加鋪層的合理厚度范圍為9～15cm，為防止或減緩加鋪層反射裂縫的出現(xiàn)，瀝青協(xié)會(huì)建議瀝青加鋪層不應(yīng)低于10cm。

2.3設(shè)置裂縫緩解層

大粒徑透水性瀝青混合料（LSAM）是公稱最大粒徑在25～63cm之間、一定量的細(xì)集料填充空隙的礦料熱拌熱鋪瀝青混合料，通常含有25%～35%的連通空隙，透水性能好，具有較小的回彈模量，且施工周期短，高溫穩(wěn)定性好[6]，工程中可將其鋪設(shè)于瀝青加鋪層與舊水泥路面層之間，作為裂縫緩解層延緩反射裂縫的產(chǎn)生。

LSAM是近幾年才從國(guó)外引進(jìn)來(lái)的一種骨架瀝青材料，由于其理論尚不成熟，目前應(yīng)用相對(duì)較少，相信隨著研究的深入，LSAM出現(xiàn)在我們視線中的機(jī)會(huì)也將越來(lái)越大。

2.4鋪設(shè)玻纖格柵

近年來(lái)，在水泥路面和瀝青加鋪層之間鋪設(shè)玻璃纖維格柵也成為一種常見(jiàn)的防治反射裂縫形式，被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于工程實(shí)踐中。玻纖格柵抗拉強(qiáng)度高、延伸率低、無(wú)蠕變、耐高溫、與瀝青混合料相容性好[7]，其優(yōu)良的物理化學(xué)性能，可以增強(qiáng)瀝青面層的整體抗拉強(qiáng)度，能均勻傳遞和分布應(yīng)力，有效地改善路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，從而達(dá)到抵抗和延緩由于路面的基層裂縫引起的路面反射裂縫的發(fā)生。在路面層中鋪設(shè)玻纖格柵造價(jià)低、維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、施工工藝簡(jiǎn)單易掌握，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。但玻纖格柵主要用以消散水平拉應(yīng)力，對(duì)于豎向剪切應(yīng)力的防治效果并不佳，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性，要想得到更廣泛的推廣，還有待研究。

2.5設(shè)置應(yīng)力吸收層

應(yīng)力吸收層是一種特殊聚合物改性瀝青混合料，瀝青含量高，粒徑小，能夠起到很好的防水滲透效果；具有良好地低溫柔韌性和高溫穩(wěn)定性，能夠消除部分剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，消散應(yīng)力集中現(xiàn)象[8]；具有吸收應(yīng)力的厚度效應(yīng)和使反射裂縫偏離原接裂縫的偏離效應(yīng)，由于應(yīng)力吸收層本身具有一定的厚度，設(shè)置應(yīng)力吸收層可減薄加鋪層的結(jié)構(gòu)厚度，即吸收層的厚度可以抵消一部分瀝青砼加鋪層的厚度[9]。

與玻纖格柵相比，應(yīng)用應(yīng)力吸收層防治反射裂縫在力學(xué)機(jī)理和減小加鋪層厚度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。應(yīng)力吸收層可有效防治溫度變化引起的張開(kāi)型反射裂縫和交通荷載引起的剪切型反射裂縫，且施工便捷易行、質(zhì)量易控，為我們防治反射裂縫提供了一種新的途徑。

3.結(jié)語(yǔ)

在舊水泥路面上加鋪瀝青砼是目前最常見(jiàn)最有效的舊路改造形式，但是反射裂縫的出現(xiàn)，使路面的使用壽命受到了極大的考驗(yàn)。由于反射裂縫的不可避免性，如何延緩反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展成為了研究的重點(diǎn)。破碎和碾壓舊路面板、適當(dāng)增加加鋪層厚度、加鋪大粒徑透水性瀝青混合料裂縫緩解層、設(shè)置玻纖格柵、應(yīng)力吸收層等都是經(jīng)過(guò)了實(shí)踐證明的防治反射裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的常用措施，可以在一定程度上有效的延長(zhǎng)路面使用壽命。

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