建筑工程師論文淺析半剛性路面反射裂縫

　　本篇文章是由優(yōu)秀建筑期刊《工程質(zhì)量》發(fā)表的一篇建筑論文，創(chuàng)刊于1983年，由建設(shè)部主管，中國建筑科學(xué)研究院、中國建筑業(yè)協(xié)會工程建設(shè)質(zhì)量管理分會及國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心主辦。是我國建筑領(lǐng)域唯一一本全面報導(dǎo)工程質(zhì)量及精品工程的期刊。榮獲2011年、2012年鴻翔杯全國建筑行業(yè)精品期刊;建設(shè)部優(yōu)秀期刊全國建筑行業(yè)信息媒體宣傳先進集體。

　　【摘 要】通過分析半剛性路面裂縫的形成機理和擴展模式及其對路面的危害，最后針對影響裂縫形成和擴展的因素提出了相應(yīng)的防治措施。

　　【關(guān)鍵詞】反射裂縫;半剛性路面;半剛性基層;防治措施

　　隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，高等級公路的里程不斷增加。為適應(yīng)高等級公路重交通、重載對道路的要求，以無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料(土)類為基層，瀝青混凝土為面層的半剛性路面被廣泛使用于高等級路面。因為半剛性路面具有兩個較為明顯的特點，其一，具有較高的強度和承載力。一般來說，半剛性基層材料具有較高的抗壓強度和抗壓彈性模量，并具有一定的抗彎拉強度，且都隨著齡期的增加而不斷增加，因此，半剛性瀝青路面通常具有較小的彎沉和較強的荷載分布能力。其二，半剛性基層強度大，使得其上瀝青面層彎拉應(yīng)力值較小，從而提高了瀝青面層抵抗行車疲勞破壞的能力。

　　鑒于半剛性瀝青路面強度、平整度及抗行車疲勞性能等優(yōu)點，半剛性瀝青路面已成為目前中國高等級公路路面的主要形式。然而隨著這種結(jié)構(gòu)的大量使用，發(fā)現(xiàn)其存在著嚴(yán)重的裂縫問題，并已成為該結(jié)構(gòu)的主要問題。反射裂縫是瀝青路面裂縫的主要形式，它的存在破壞了路面結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性，并一定程度上導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度的削弱(如裂縫處彎沉增大，回彈模量降低等)。而且隨著雨水和雪水的浸入，基層變軟，在大量行車荷載反復(fù)作用下，導(dǎo)致路面強度大大降低，產(chǎn)生沖刷和唧泥現(xiàn)象，使裂縫加寬，裂縫兩側(cè)的瀝青面層碎裂，加速瀝青路面的破壞，影響路面的使用性能。

　　一、反射裂縫的類型

　　對于半剛性基層瀝青路面，反射裂縫指由于半剛性基層在溫度梯度和濕度變化下產(chǎn)生收縮開裂，此種基層材料先開裂而后沿開裂基層向上方反射到瀝青面層而形成的裂縫，或者在行車荷載作用下，裂縫沿已開裂半剛性基層向上擴展而形成的裂縫。很顯然，反射裂縫的產(chǎn)生主要是剛性基層已先開裂，再經(jīng)行車或溫度、濕度變化而引起瀝青面層裂縫。

　　瀝青路面開裂的原因和形式是多種多樣的，瀝青路面的裂縫主要包括兩種：一是荷載型裂縫，主要是由于行車荷載作用產(chǎn)生的;二是非荷載型裂縫，其主要類型是溫度裂縫。它包括低溫收縮裂縫和溫度疲勞裂縫兩種。根據(jù)研究資料表明，半剛性路面的反射裂縫主要是非荷載型裂縫，由溫度引起的。

　　二、反射裂縫的形成機理

　　通常情況下，把反射裂縫的形成過程分為兩個階段：一是反射裂縫的產(chǎn)生階段;二是反射裂縫的擴展階段。

　　1.反射裂縫的產(chǎn)生。(1)溫度型反射裂縫。溫度型反射裂縫有兩種，一種是在開裂基層(或老路)上鋪厚瀝青面層后，在冬季突然降溫過程中，基層(或老路)的裂縫會由于溫度收縮而繼續(xù)拉開，它將給產(chǎn)生溫度收縮的新鋪瀝青面層增加一個附加拉應(yīng)力;兩個拉應(yīng)力疊加一旦超過瀝青混合料抗拉強度，新瀝青面層的表面在基層(或老路)裂縫的上方開裂，并逐漸向下延伸，直到與老路的裂縫相連，這樣形成的裂縫通常稱為低溫收縮裂縫。另一種裂縫主要發(fā)生在晝夜溫差比較大的地方。在開裂基層(或老路)上鋪薄瀝青面層的情況下，裂縫將從面層底面開始，面層底面一旦開裂，除在負溫差下縫端有拉應(yīng)力外，在正溫差(升溫造成的溫差)下縫端產(chǎn)生的拉應(yīng)力更大。由此產(chǎn)生的裂縫稱之為溫度疲勞裂縫。(2)荷載型反射裂縫。當(dāng)行車荷載經(jīng)過接縫或裂縫時，在面層中產(chǎn)生的應(yīng)力影響線可分為三個階段：一是軸載位于接、裂縫一側(cè)時，接、裂縫兩側(cè)產(chǎn)生較大的相對位移，在瀝青面層中造成較大的剪切應(yīng)力;二是軸載位于接、裂縫頂面時，兩側(cè)無相對位移或相對位移較小，瀝青面層主要承受彎拉應(yīng)力作用;三是軸載駛離接、裂縫時，在面層內(nèi)產(chǎn)生與第一次方向相反的剪切應(yīng)力。在整個過程中瀝青面層受到兩次剪切一次彎拉作用，其直接結(jié)果是引起反射裂縫的產(chǎn)生和擴展，荷載因素是引起反射裂縫的一個重要因素。

　　2.反射裂縫的擴展。瀝青面層的反射裂縫從其產(chǎn)生到整個路面破壞，中間要經(jīng)歷一個裂縫擴展階段，即反射裂縫在罩面層厚度方向上的縱向擴展和其在表面的橫向擴展。(1)反射裂縫的縱向擴展。斷裂力學(xué)認為，裂縫的擴展有三種位移模式：張開模式、剪切模式和撕開模式，其中，溫度應(yīng)力對反射裂縫影響的模式為張開模式;行車荷載對反射裂縫影響的主要模式為張開模式和剪切模式。當(dāng)車輪駛經(jīng)裂縫的正上方時，以張開模式來引起反射裂縫;在裂縫之前和之后的位置，主要以剪切模式影響反射裂縫。撕開模式在罩面層中不常出現(xiàn)。與張開模式相對應(yīng)的溫度型反射裂縫通常產(chǎn)生于薄層罩面層底部，而后向上逐漸擴展到罩面層頂面。當(dāng)瀝青罩面層或面層較厚且氣溫較低時，裂縫產(chǎn)生在罩面層或面層的頂面和底面，而后向罩面層或面層中間擴展，形成所謂對應(yīng)裂縫。對于正荷載作用下的張開模式所對應(yīng)的反射裂縫，一般產(chǎn)生于罩面層底面，在周期性荷載的作用下垂直向上擴展。在偏荷載作用時，反射裂縫以剪切模式在罩面層中向上擴展，其擴展路徑在罩面層中是沿大約45°角的方向向上擴展。當(dāng)車輪荷載(偏荷載)和溫度應(yīng)力共同作用于復(fù)合罩面結(jié)構(gòu)時，裂縫的擴展界于偏荷載和溫度應(yīng)力單獨作用時裂縫擴展路徑之間，比偏荷載作用時的裂縫擴展路徑更垂直一些。(2)反射裂縫的橫向擴展。裂縫發(fā)展過程是首先應(yīng)在道路表面某些位置產(chǎn)生，然后再向兩側(cè)擴展。一般情況下，反射裂縫多出現(xiàn)在輪跡處。環(huán)境因素會加速反射裂縫的擴展。裂縫一旦出現(xiàn)，水分的浸入、氧化以及行車荷載的反復(fù)作用，常常加速反射裂縫向四周擴展。即使裂縫貫穿于整個路面寬度，也不會影響行車的舒適性。各地區(qū)的溫度狀況不同，各路段的交通條件和現(xiàn)有路面的結(jié)構(gòu)狀況也不相同，因而，反射裂縫的產(chǎn)生有可能主要是溫度原因引起的，也有可能主要是荷載作用引起的，或者是溫度和荷載共同作用所造成的。對于基層裂縫引起的反射裂縫而言，主要是由于溫度引起的，行車荷載在其形成的后期起到促進作用，但較薄的瀝青面層和較厚的瀝青面層的反射裂縫產(chǎn)生的機理不同;對于舊水泥砼接縫上的瀝青罩面層中出現(xiàn)的反射裂縫而言，主要是由于荷載原因引起的，行車荷載的施加速度遠高于溫度變化產(chǎn)生的面板伸縮位移的速度，特別是偏荷載作用。

　　三、防治對策及處理方法

　　目前，中國在防治反射裂縫方面主要從以下三大部分進行處理：一是改善瀝青混凝土面層性能，如增加瀝青層厚度、加筋罩面層、使用改性瀝青等;二是設(shè)置應(yīng)力/應(yīng)變吸收薄膜夾層，如采用SAMI、土工織物、土工網(wǎng)格、粘結(jié)間斷層等;三是對基層材料本身，選擇抗沖刷性好，干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)小和抗拉強度高的半剛性材料。

　　1.適當(dāng)增加面層厚度。由機理分析，反射裂縫明顯受瀝青面層厚度的影響，厚度超過15cm的面層可以有效防止反射裂縫的擴展;還可以降低車輛荷載引起的剪應(yīng)力。當(dāng)然，過分的增大面層的厚度，會造成浪費，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑龃鬄r青面層的厚度，使得起到明顯的防止裂縫的作用。

　　2.改善半剛性基層的溫干縮性質(zhì)。造成半剛性基層瀝青反射裂縫的一個重要原因是半剛性基層自身的開裂。為了減少自身的開裂，所以就要降低其溫縮和干縮系數(shù)。(1)盡量使用骨架密實結(jié)構(gòu)礦料級配。(2)由于細料比表面大，所以半剛性基層材料中細料越多，材料內(nèi)部孔隙也就越多，從而在水作用下其收縮也就越大，所以要控制粒料中細料含量和塑性指數(shù)。通過0.075 mm 篩孔的細料含量控制在約5%～7%;細土的塑性指數(shù)應(yīng)盡可能地小，不宜大于4。(3)在滿足要求的情況下，用最小水泥劑量。因為隨著水泥用量增加，其收縮也隨之增加。必要時，在水泥穩(wěn)定料中使用減水劑。3.在面層和基層之間設(shè)置應(yīng)力應(yīng)變削減中間層(SAMI)。SAMI 對減緩反射裂縫的產(chǎn)生與擴展有明顯的效果，可使裂縫處相對位移產(chǎn)生的應(yīng)力傳到面層時大為減少(有人研究認為可減少到15%)，可明顯減弱裂縫尖端應(yīng)力的奇異性，降低應(yīng)力強度因子。SAMI可以分成以下幾類：橡膠瀝青中間層，預(yù)制纖維膜布，土工織物中間層，低稠度瀝青混凝土中間層，開級配瀝青混凝土底層。在選擇和設(shè)計SAMI 應(yīng)注意以下幾點：(1)SAMI 與面層、基層的粘結(jié)性能，這種粘結(jié)必須是均勻和永久的，否則會過早出現(xiàn)分層。(2)SAMI 的勁度：夾層的勁度與夾層的模量和厚度有關(guān)，如果夾層的勁度很低，那么在罩面層的底部引起很大的應(yīng)變，從而導(dǎo)致罩面層的開裂。與此相反，如果夾層的勁度過高或者夾層特別薄，溫度應(yīng)力將100%的傳遞到罩面層中，起不到防止反射裂縫的效果。(3)SAMI 的韌度：如果SAMI 的韌度太低，那么裂縫將很容易在SAMI 中擴展，使得SAMI 沒有防治效果或者效果有限。

　　4.在面層和基層之間設(shè)置級配碎石。減少反射裂縫的一個較有效措施是在半剛性基層與較薄瀝青面層之間設(shè)置厚100mm～150mm的級配碎石中間層。級配碎石作為散粒結(jié)構(gòu)，不傳遞拉應(yīng)力、拉應(yīng)變，能充分吸收其下層裂紋釋放的應(yīng)變能;級配碎石還有很好的隔離作用，可以大大改善半剛性基層的溫度、濕度狀況，從根本上消除和減輕半剛性基層的溫縮和干縮，減少反射裂縫。

　　四、總結(jié)

　　反射裂縫的產(chǎn)生主要是由于半剛性基層的溫干縮應(yīng)力導(dǎo)致基層先開裂，而后在溫差應(yīng)力和荷載應(yīng)力共同作用下向面層發(fā)展。面層厚度和基層的溫縮性能是影響反射裂縫多少和發(fā)展快慢的主要因素。增加面層厚度，降低半剛性基層的溫干縮系數(shù)，在基層和面層之間添加SAMI層或級配碎石是消除和減少反射裂縫的有效措施。

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