半剛性基層瀝青路面裂縫成因分析

郝艷輝 李 勝

摘要:我國(guó)《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTJ073.2-2001)將瀝青路面破損分為裂縫類、松散類、變形類及其它類等四大類。JTJ073.2-2001對(duì)瀝青路面裂縫類破損分類分級(jí)《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)路面》(第一版)中對(duì)瀝青路面裂縫損壞作了相應(yīng)分類。

關(guān)鍵詞:半剛性基層;反射裂縫;應(yīng)力強(qiáng)度

中圖分類號(hào):TU57+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):16723198(2009)20029601お

1瀝青路面裂縫應(yīng)力分析

1.1結(jié)構(gòu)性裂縫

瀝青路面的結(jié)構(gòu)性破壞裂縫主要是由于行車荷載引起的。在車輪荷載作用下,半剛性基層材料的應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí),半剛性基層的底部就會(huì)很快開(kāi)裂。在行車荷載的反復(fù)作用下,底部的裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展到上部,并使瀝青面層也產(chǎn)生開(kāi)裂破壞。影響拉應(yīng)力主要因素有面層的厚度、基層本身的厚度、基層的回彈模量和下承層的回彈模量。在半剛性基層下采用半剛性材料做底基層,可使基層底面由行車荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力明顯減小,甚至還小于半剛性底基層底面產(chǎn)生的拉應(yīng)力,這對(duì)半剛性基層承受行車荷載的反復(fù)作用是十分有利的。

1.2低溫收縮裂縫

瀝青材料在較高溫度條件下,具有良好的應(yīng)力松馳性能,溫度升降產(chǎn)生的變形不致于產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力,但當(dāng)氣溫大幅度下降時(shí),瀝青材料逐漸發(fā)硬并開(kāi)始收縮。此時(shí)半剛性基層的底部將產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力瀝青混合料的應(yīng)力松馳趕不上溫度應(yīng)力增長(zhǎng),混合料勁度急劇增大。由于瀝青面層在路面中是受到約束的,面層中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力或拉應(yīng)變一旦超過(guò)瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度,瀝青面層就會(huì)開(kāi)裂。這種情況在瀝青面層與基層的附著力不夠好、允許有一定的自由收縮時(shí),裂縫就更容易發(fā)生。由于瀝青路面寬度有限,收縮受路面結(jié)構(gòu)的相互約束小,所以低溫裂縫主要是橫向的。

1.3溫度疲勞裂縫

這種裂縫主要發(fā)生在日溫差大的地區(qū)。由于溫度反復(fù)升降導(dǎo)致瀝青面層溫度應(yīng)力疲勞,使瀝青混合料的極限拉伸應(yīng)變(或勁度模量)變小,加上瀝青的老化使瀝青勁度增高,應(yīng)力松馳性能降低,最終達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度使路面產(chǎn)生裂縫。

1.4面層溫度應(yīng)力分布分析

在面層和基層均無(wú)裂縫的情況下,在瀝青面層中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力分布是這樣的:一方面溫度向?yàn)r青面層底部傳遞需要一定的時(shí)間,不是瞬時(shí)完成的,而且瀝青面層內(nèi)部和底部的溫度不可能與其暴露表面的溫度相同,始終有溫度差,即瀝青面層中會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度。瀝青面層愈厚,表面溫度與底部溫度差愈大,層間溫度梯度也愈大。另一方面瀝青面層表面的溫度應(yīng)力隨著面層的增厚而增加,面層內(nèi)的應(yīng)力隨深度而很快減小,同時(shí)面層表面的溫度應(yīng)力隨降溫幅度變小而減小。瀝青面層的表面一旦開(kāi)裂,隨著持續(xù)低溫或另一次降溫,在裂縫尖端會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,使裂縫向下延伸并逐漸下的半剛性基層已經(jīng)開(kāi)裂,并且允許有垂直位移和水平位移。垂直位移穿透整個(gè)瀝青面層,由于面層底部與基層表面的粘結(jié)作用,裂縫呈現(xiàn)上寬下窄現(xiàn)象。

2半剛性路面的反射裂縫和對(duì)應(yīng)裂縫

2.1由半剛性基層溫縮開(kāi)裂引起的反射裂縫

通常假設(shè)導(dǎo)致反射裂縫的機(jī)理是處于瀝青面層車輛荷載引起的路面結(jié)構(gòu)在裂縫處的差動(dòng)位移,水平位移是由溫度變化或水分變化引起的膨脹和收縮。冬季或在寒冷地區(qū),在結(jié)合得好的瀝青面層下,開(kāi)裂的半剛性基層的水平位移使得直接在裂縫上的面層內(nèi)產(chǎn)生大的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變,由于在較低溫度下瀝青面層通常較硬,它只能承受小的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變,因此容易被拉裂,并且裂縫的擴(kuò)展途徑是由下至上的。瀝青面層的厚度愈薄,反射裂縫形成的愈早和愈多。

2.2由半剛性基層干縮開(kāi)裂引起的反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫

對(duì)于新鋪的半剛性基層,隨著混合料中水分的減少,要產(chǎn)生干縮和干縮應(yīng)力;水分減少得愈多愈快,產(chǎn)生的干縮應(yīng)力和干縮應(yīng)變就愈大。在已經(jīng)產(chǎn)生干縮裂縫的半剛性基層上鋪筑瀝青面層,在較薄瀝青面層的情況下,半剛性基層的裂縫會(huì)由于溫度應(yīng)力而使面層底部先開(kāi)裂,并較快形成反射裂縫。一旦行車產(chǎn)生的拉應(yīng)力與溫度應(yīng)力相結(jié)合,反射裂縫會(huì)形成得更快。在較厚瀝青面層的情況下,由于溫度應(yīng)力在表面最大,基層的裂縫將促使面層先從表面開(kāi)裂,然后逐漸向下傳播形成對(duì)應(yīng)裂縫。因此,面層有一個(gè)臨界厚度。面層厚于臨界厚度時(shí),裂縫將主要從表面開(kāi)始;薄于此臨界厚度時(shí),裂縫可能主要從底部開(kāi)始。此臨界厚度與氣候條件、面層混合料的勁度模量、溫縮性以及基層混合料的溫縮性有關(guān)。

2.3由水泥穩(wěn)定土的膨脹性化學(xué)腐蝕開(kāi)裂引起的反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫

這種情況發(fā)生的主要原因是地下水總的硫酸鹽等侵蝕物質(zhì)與水泥中的某些物質(zhì)發(fā)生交替反應(yīng),生成一種新的鹽結(jié)晶,造成水泥穩(wěn)定土體積開(kāi)裂或引起破壞。

3影響裂縫產(chǎn)生的主要因素

3.1瀝青及瀝青混合料的性質(zhì)

瀝青路面所鋪筑瀝青混合料主要由瀝青結(jié)合料、粗集料、細(xì)集料和礦粉等多種成分組成的復(fù)合材料。在混合料組成中,由于材料質(zhì)量的差異和數(shù)量的多少,可形成不同的組成結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為不同的物理力學(xué)性能。瀝青和瀝青結(jié)合料的性質(zhì)是影響瀝青路面溫度開(kāi)裂的最主要原因,瀝青混合料的低溫勁度是決定瀝青路面是否開(kāi)裂的最根本因素,瀝青勁度又是決定瀝青混合料勁度的關(guān)鍵。在瀝青性能指標(biāo)中,影響更大的是溫度敏感性,溫度敏感性大的瀝青更容易開(kāi)裂。

3.2基層材料的性質(zhì)

基層材料的收縮性愈小,面層裂縫愈少?；鶎由嫌型笇佑鸵约訌?qiáng)與面層的粘結(jié)對(duì)抗開(kāi)裂是有好處的,基層材料種類對(duì)瀝青面層的裂縫率有明顯影響。

3.3氣候條件

極端最低溫度、降溫速率、低溫持續(xù)時(shí)間、升降溫循環(huán)數(shù)次數(shù)是氣候條件影響瀝青路面溫縮裂縫的四大要素。

3.4交通量和車輛類型

半剛性基層中的最大拉應(yīng)力,通常是由最重的車輪荷載產(chǎn)生的;并且對(duì)于半剛性路面,不同軸載對(duì)路面的破壞作用遠(yuǎn)不是4次方的關(guān)系,而是約為16次方的關(guān)系,即使是通過(guò)次數(shù)較少的重荷載也對(duì)路面破壞起著決定性的作用。

3.5設(shè)計(jì)原因

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。如基層厚度不夠,面層分層及材料配合比設(shè)計(jì)不當(dāng),面層厚度不合理。

(2)路面、基層、底基層排水設(shè)計(jì)考慮不周。

(3)路面所處段土質(zhì)和水文情況與實(shí)際出入較大,使得路面設(shè)計(jì)參數(shù)不符合實(shí)際。

(4)地基處理設(shè)計(jì)不合理,使得地基沉降未達(dá)到允許的工后沉降等。

4結(jié)語(yǔ)

本章對(duì)瀝青路面裂縫進(jìn)行了分類,探討了瀝青路面裂縫產(chǎn)生的主要因素,得出如下結(jié)論:盡管瀝青路面開(kāi)裂的原因和裂縫的形式是多種多樣的,但由行車荷載作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性裂縫、由瀝青面層溫度變化產(chǎn)生的溫度裂縫、由基層裂縫的向上反射產(chǎn)生的反射裂縫是瀝青路面開(kāi)裂的主要原因。