半剛性基層反射裂縫的成因及典型處置方法

王曦光

(遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

1 反射裂縫產生的主要成因

目前，半剛性基層以能夠提高的基層強度，減少瀝青混合料面層厚度等優點，在我國公路建設尤其是高速公路建設上得到了廣泛的應用。然而，由于半剛性基層在溫度和濕度發生較大變化時，會產生溫縮裂縫和干縮裂縫，產生的這些裂縫在車輛荷載和路面溫度的耦合作用下，會使裂縫附近的瀝青混凝土層產生較大的應變，最終將瀝青混凝土層的底部拉開形成裂縫，然后擴展到路表面，這就是我們所說的反射裂縫。通過對已建成高速公路的調查，發現我國高速公路的反射裂縫一般在建成后一到兩年出現，并且反射裂縫在我國高速公路上是一種普遍存在的現象。反射裂縫的出現不僅降低了路面的強度，而且使水更容易進入路面以及路基內部，使路面出現脫空、坑槽等一系列病害，降低了高速公路的長期使用性能。

2 反射裂縫預防和處置技術

目前，我國預防和處置半剛性基層反射裂縫主要有兩類方法，一類是在基層和面層之間設置一個夾層，通過夾層來分散反射裂縫的應力，從而控制反射裂縫的出現和發展；另一類是在瀝青混凝土面層中摻入聚酯纖維等材料，通過提高面層抗拉強度來達到控制反射裂縫的出現和發展的目的。

基層和面層之間設置的夾層系統還可以分為兩類：一類是設置加筋層，另一類是設置應力吸收層。利用加筋層處理反射裂縫的基本原理是其能提供足夠的抗拉強度，抑制裂紋周圍產生的應力，使應變有效擴散，從而有助于降低瀝青路面底部產生的拉應力，防止裂縫的產生。利用應力吸收層處理反射裂縫的基本原理是其能承受較大的變形，防止裂紋尖端繼續擴展，降低集中應力，從而防止裂縫的產生。

通過在瀝青混凝土中摻入聚酯纖維等材料，來提高瀝青混凝土的抗裂性能，從而達到延緩裂縫出現和減少裂縫數量的目的。通過室內試驗表明，與不摻聚酯纖維的瀝青混合料相比，摻入聚酯纖維的瀝青混合料的破壞拉應變明顯增大。

下面對我們常用的幾種夾層系統進行簡要介紹，代表的幾種處置方式為：橡膠瀝青應力吸收層、級配碎石以及鋪設土工合成材料。

(1)橡膠瀝青應力吸收層

橡膠瀝青應力吸收層對防止反射裂縫具有良好的效果。現場試驗表明，與不使用該技術的路段相比，路面裂縫率可降低1/10～1/4。但是該技術對瀝青路面的厚度非常敏感，當瀝青層厚度小于5cm時，橡膠瀝青應力吸收層容易發生破壞，從而失去作用。另外，由于橡膠瀝青應力吸收層需要在較高溫度下完成攤鋪和碾壓，一旦施工質量不能得到很好的控制，橡膠瀝青應力吸收層反而會成為道路結構的薄弱環節。

(2)級配碎石采用具有一定級配的碎石鋪筑于面層和基層之間。當級配碎石結構層開始發生塑性變形時，其承載力將顯著提高，并能承受較大的變形。特別是當其底部出現裂縫時，集料在荷載作用下可自動進行位置調整，使級配集料中的應力重新分布，這不但不會使裂縫進一步發展還會使部分裂縫在一定程度上閉合。這意味著當級配碎石結構層受到裂縫作用時，它具有自愈特性。理論上，當級配碎石結構厚度達到15cm時，瀝青路面底部的應力可以降低36%～63%。

粗粒式瀝青碎石在變形能力、吸收應變能、降低集中應力等方面與級配碎石相似。此外，粗粒式瀝青碎石的大空隙率(15%～20%)可進一步防止裂縫尖端的發展路徑。粗粒式瀝青碎石同時具有隔離作用，能夠改善基層的溫度狀態，減少半剛性基層的溫縮。研究表明，與普通瀝青混凝土相比，粗粒式瀝青碎石中的應力可降低20%～30%。

以上兩項技術的主要問題是會增加道路的厚度和修建費用，如果施工過程質量控制得不好，還可能會發生離析的情況。

(3)土工合成材料

土工合成材料是我國常用的防止和延緩反射裂縫的方法。在這里也要著重介紹一下。根據土工合成材料的不同特點，土工合成材料可分為土工格柵和土工布兩種。前者具有剛性高、模量大、延伸率低、蠕變小、物理化學性能穩定、聯鎖作用強等特點。后者用作柔性應力吸收膜，能吸收裂紋尖端集中應力，防止裂紋繼續發展。此外，當土工布在粘層或透層瀝青層上施工時，會形成不透水層，從而防止水對路基的不良影響。

土工格柵是一種應用較為廣泛的土工合成材料，主要代表材料是玻璃纖維格柵。玻璃纖維網格可以均勻地傳遞荷載，從而使裂紋應力方向由垂直向水平轉化。為了驗證格柵的實際性能，通過彎曲試驗，對同一材料、同一級配、不同配筋方式的格柵瀝青混凝土的彎曲破壞特性進行了試驗研究。從彎曲破壞過程的差異和裂縫尖端承載狀態的變化，揭示了格柵加筋瀝青混凝土裂縫擴展控制的原因。試驗所用網格為CE131(中國制造)和土工格柵(進口)，如圖1所示。彎曲試驗試件為50mm×50mm×250mm立方體試件。表1為試驗中不同溫度下的測試結果，圖2為試驗中格柵位置編號。

從表1的數據來看，同一試驗溫度條件下，無格柵的試樣和在不同位置添加格柵的試樣其彎曲強度無明顯變化，說明土工格柵不能明顯提高試樣的彎曲破壞強度。但是從某一固定溫度下(以-20℃為例)的彎曲破壞圖(圖3)來看，不同配筋方式的格柵混凝土的破壞過程是不同的。在該溫度下，試樣隨著載荷的不斷增加，其變形量逐漸增大，在達到破壞載荷作用時，試樣底部會出現裂紋，此時，沒添加格柵的混凝土試樣會立即斷裂(圖2中0號曲線)，而添加了格柵的混凝土試樣(圖2中Ⅰ、Ⅱ、BⅡ號曲線)，雖然在荷載作用下也出現了裂縫，使荷載下降，但是沒有立即斷裂，變形均出現了不同程度的增長，這是因為添加了格柵延緩了裂縫的發展速度。格柵所提供的抗拉強度越強，試件斷裂時發生的變形就越大。其他溫度條件下的試驗，均表現出與該溫度相同的變化規律。從而證明格柵能夠有效延緩裂縫發展的速度，并且格柵抗拉強度越高其防止反射裂縫的效果就越好。

圖1 試驗土工格柵形狀

試樣編號試驗溫度(℃)-20-1008192535RE(MPa)7.8257.2345.9044.9624.5981.4110.4710εE(×10-3mm)1.4371.5772.3703.3789.18210.0489.514SE(MPa)577353072593139055714774RE(MPa)8.0767.8856.9945.0424.4081.8770.490Ⅰ(CE131)εE(×10-3mm)1.3201.5832.4473.3657.05210.219.725SE(MPa)611750622648136366018351RE(MPa)8.2517.5007.0074.8194.3572.2230.706Ⅱ(CE131)εE(×10-3mm)1.4371.6522.3863.4889.37310.25910.501SE(MPa)569247823102138246521667RE(MPa)8.4427.8806.7044.8905.3052.8570.910BⅡ(進口)εE(×10-3mm)1.3361.7332.2293.4077.9989.9708.464SE(MPa)5801409327731435648286113

注：RE(MPa)試件破壞時彎拉強度，εE(×10-3mm)試件破壞時最大彎拉應變，SE(MPa)試件破壞時彎曲勁度模量

圖2 試樣中格柵的位置

圖3 試樣彎曲破壞圖

在某高速公路的一段試驗路上采用了山東制造的一種土工格柵進行現場試驗，1年后通過有格柵道路和無格柵道路的性能對比來看，有格柵道路的裂縫數量比未經處理的路面少得多。同時通過施工經驗證明，如果基層裂縫垂直變形過大，那么將會影響土工格柵控制反射裂縫的能力，甚至使土工格柵失效。

3 總結

以上是防止和處理反射裂縫的幾種常用處理方法。不管采用何種方法，當反射裂縫太寬、太深時，必須采用灌縫等措施進行處理，否則都會使處理手段失敗。另一方面，當基層變形較大或基層強度不夠時，也必須采用相應的手段來提高基層強度，以保證處理反射裂縫的手段能夠發揮其應有的效果。采用應力吸收層技術時，現場應做好施工控制，保證溫度、碾壓等完全按設計要求進行，以確保使用效果。