瀝青加鋪層反射裂縫形成機(jī)理研究

張正亞,張嬌娜,李 尤,趙遠(yuǎn)龍

(武漢工業(yè)學(xué)院交通研究所,湖北武漢 430023)

瀝青加鋪層反射裂縫形成機(jī)理研究

張正亞,張嬌娜,李 尤,趙遠(yuǎn)龍

(武漢工業(yè)學(xué)院交通研究所,湖北武漢 430023)

反射裂縫是舊水泥混凝土路面瀝青加鋪路面的主要病害之一,直接影響了路面的使用功能和使用壽命。反射裂縫導(dǎo)致面層開(kāi)裂、剝落,路面水沿裂縫下滲,使路面發(fā)生損壞。因此延長(zhǎng)舊水泥路面瀝青加鋪層的使用壽命,減少瀝青路面的反射裂縫是瀝青加鋪層設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題。本文在深入分析反射裂縫形成機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出了反射裂縫的預(yù)防及治理措施。

反射裂縫;舊水泥砼路面;形成機(jī)理

在舊水泥砼路面上進(jìn)行瀝青加鋪被公認(rèn)為是一種可行且有效的恢復(fù)路面使用性能的措施,加鋪瀝青面層后,原有水泥混凝土路面和新鋪瀝青層形成的復(fù)合結(jié)構(gòu),不僅材料性能差異大,溫度變化對(duì)其影響也存在較大差異,由于舊混凝土路面板上存在接縫和裂縫等路面病害,使得瀝青加鋪層極易在相應(yīng)位置產(chǎn)生反射裂縫。

反射裂縫對(duì)于瀝青加鋪面層性能直接危害不大,但反射裂縫可以成為路面水分進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)的通道,路表水可以沿裂縫不斷進(jìn)入路面結(jié)構(gòu),破壞路面基層甚至使路基軟化,導(dǎo)致路面承載力下降,產(chǎn)生唧漿、錯(cuò)臺(tái)、網(wǎng)裂等病害,進(jìn)而加速路面結(jié)構(gòu)破壞。反射裂縫是舊水泥砼路面瀝青加鋪面層的主要病害,是加鋪層設(shè)計(jì)中所面臨的一大難題[1]。

1 反射裂縫的分類(lèi)

瀝青混凝土路面的裂縫形式較為復(fù)雜。廣義的反射裂縫從其裂縫擴(kuò)展路徑上分為反射裂縫和對(duì)應(yīng)裂縫兩種,從其形成的主要原因可分為溫度型反射裂縫和荷載型反射裂縫[2]。按照瀝青混凝土路面開(kāi)裂的原因,可以把反射裂縫分兩大類(lèi),即荷載型裂縫和非荷載型裂縫。瀝青混凝土面層上的非荷載型裂縫主要是由溫度引起的。

2 反射裂縫的形成機(jī)理

對(duì)反射裂縫形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)直接關(guān)系到反射裂縫的防治和處治措施的針對(duì)性和有效性,各國(guó)研究人員對(duì)反射裂縫的形成機(jī)理進(jìn)行了很多的調(diào)查和試驗(yàn)研究,做了很多有益探索,一般認(rèn)為,反射裂縫形成的過(guò)程可分為兩個(gè)階段：反射裂縫的產(chǎn)生階段和反射裂縫的擴(kuò)展階段。裂縫的產(chǎn)生階段對(duì)應(yīng)于瀝青混合料的疲勞規(guī)律;裂縫的擴(kuò)展階段對(duì)應(yīng)于斷裂力學(xué)中裂縫的疲勞擴(kuò)展規(guī)律[3]。

2.1 反射裂縫的產(chǎn)生

反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展是由于原水泥路面接縫或裂縫處不能很好地傳遞拉應(yīng)力或剪應(yīng)力,當(dāng)接縫或裂縫兩側(cè)的路面發(fā)生移動(dòng)時(shí),在接縫或裂縫頂面的瀝青層中產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而形成反射裂縫,而水泥路面的移動(dòng)是溫度變化、行駛車(chē)輛以及兩者綜合作用的結(jié)果,根據(jù)形成反射裂縫的原因,通常把溫度變化引起的反射裂縫稱(chēng)為溫度型反射裂縫,把行車(chē)荷載引起的反射裂縫稱(chēng)為荷載型反射裂縫。

2.1.1 溫度型反射裂縫

瀝青路面的溫度應(yīng)力不僅是時(shí)間 t的函數(shù),也是溫度 T的函數(shù),而抗拉強(qiáng)度σR也是應(yīng)力作用時(shí)間 t和路面溫度 T的函數(shù)?？估瓘?qiáng)度σR會(huì)隨應(yīng)力作用時(shí)間的增加而減少,隨著路面溫度的下降而逐漸增大,一般在 15—20之間達(dá)到最大值,此后又緩慢下降。故隨時(shí)間 t和溫度 T變化的瀝青路面溫度應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度可分別記為σ(t,T)和σR(t,T),則當(dāng)溫度應(yīng)力σ(t,T)達(dá)到抗拉強(qiáng)度σR(t,T)時(shí),瀝青路面就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂,即

或

滿足其中任一種開(kāi)裂模式,均會(huì)導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生溫度裂縫見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 瀝青路面溫度裂縫開(kāi)裂模式一

圖2 瀝青路面溫度裂縫開(kāi)裂模式二

溫度型反射裂縫有兩種。在原水泥路面上鋪厚瀝青面層后,在冬季突然降溫過(guò)程中,老路的裂縫會(huì)由于溫度收縮而繼續(xù)拉開(kāi),它將給也在產(chǎn)生溫度收縮的新鋪瀝青面層一個(gè)附加拉應(yīng)力,兩個(gè)拉應(yīng)力疊加一旦超過(guò)瀝青混合料抗拉強(qiáng)度,新瀝青面層的表面老路裂縫的上方開(kāi)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(chēng)為低溫收縮裂縫。

另外一種裂縫主要發(fā)生在晝夜溫差比較大的地方,在開(kāi)裂水泥路面上鋪薄瀝青面層情況下,裂縫將從面層底面開(kāi)始,面層底面一旦開(kāi)裂,除在負(fù)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(chēng)之為溫度疲勞裂縫。

2.1.2 荷載型反射裂縫

當(dāng)行車(chē)荷載駛經(jīng)接縫且瀝青面層較薄時(shí),由于在面層中造成兩次剪切效應(yīng),面層與水泥板之間首先因豎向拉應(yīng)力不足而產(chǎn)生豎向拉開(kāi),使得面層中的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在距接縫一定距離處的瀝青面層底面,并引發(fā)反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展,由此造成接縫的“雙裂縫反射”現(xiàn)象。

式中：τ——車(chē)輛荷載作用時(shí),在某一面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力;

c——瀝青混合料的粘聚力;

σ——車(chē)輛荷載產(chǎn)生的正應(yīng)力;

φ——瀝青混合料的內(nèi)摩阻角。

2.2 反射裂縫的擴(kuò)展

瀝青面層的反射裂縫從其產(chǎn)生到整個(gè)路面破壞,中間要經(jīng)歷一個(gè)裂縫擴(kuò)展階段,即反射裂縫在面層厚度方向上的縱向擴(kuò)展和其在表面的橫向擴(kuò)展。

依據(jù)斷裂力學(xué)的分類(lèi),裂縫的擴(kuò)展有三種位移模式：張開(kāi)模式、剪切模式和撕開(kāi)模式。其中,溫度應(yīng)力對(duì)反射裂縫影響的模式為張開(kāi)模式;行車(chē)荷載對(duì)反射裂縫影響的主要模式為張開(kāi)模式和剪切模式;當(dāng)車(chē)輪駛經(jīng)裂縫的正上方時(shí),以張開(kāi)模式來(lái)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(kāi)模式在罩面層中不常出現(xiàn)。

與張開(kāi)模式相對(duì)應(yīng)的溫度型反射裂縫通常產(chǎn)生于薄層罩面層底部,而后向上逐漸擴(kuò)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(shí),裂縫產(chǎn)生在加鋪面層或面層的頂面和底面,而后向面層或面層中間擴(kuò)展,形成所謂對(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,在周期性荷載的作用下垂直向上擴(kuò)展。在偏荷載作用時(shí),反射裂縫以剪切模式在罩面層中向上擴(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)車(chē)輪荷載 (偏荷載)和溫度應(yīng)力共同作用于復(fù)合面層結(jié)構(gòu)時(shí),裂縫的擴(kuò)展界于偏荷載和溫度應(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。

反射裂縫發(fā)展較為緩慢,一般不可能在瞬間貫穿整個(gè)路面寬度的,除非在應(yīng)力作用時(shí),裂縫的長(zhǎng)度已經(jīng)等于或大于相對(duì)于整個(gè)路面寬度的臨界長(zhǎng)度,較為合理的發(fā)展過(guò)程是裂縫首先在面層表面某些位置產(chǎn)生,然后再向兩側(cè)擴(kuò)展。一般情況下,反射裂縫多出現(xiàn)在輪跡處,溫度對(duì)反射裂縫的影響在整個(gè)路面寬度內(nèi)都是相同的,而行車(chē)荷載則是以一定的頻率分布在行車(chē)道上。與面層開(kāi)裂有關(guān)的問(wèn)題是環(huán)境因素的負(fù)效應(yīng),反射裂縫出現(xiàn)后,水分的浸入,氧化以及行車(chē)荷載的反復(fù)作用,加速了反射裂縫的擴(kuò)展。

3 預(yù)防反射裂縫的措施

3.1 設(shè)置中間層

設(shè)置中間層的思路是采取各種措施,阻止裂縫向罩面反射。根據(jù)反射裂縫形成的機(jī)理,采取以下技術(shù)措施。

1)設(shè)置大粒徑透水性瀝青碎石聯(lián)接層。在水泥砼與瀝青罩面層間設(shè)置大粒徑透水性瀝青碎石厚層,這種混合料的集料最大粒徑達(dá) 4—5 cm,所含細(xì)集料極少,集料顆粒間嵌擠良好,瀝青含量在1.5%—2.5%,因此,有良好的抗變形能力。

2)設(shè)置應(yīng)力吸收薄膜中間層或置防裂層。SAM I是一層柔軟的應(yīng)力吸收層,一般是薄層改性瀝青或?yàn)r青橡膠。設(shè)置 SAM I的目的是吸收下承層的水平位移導(dǎo)致的高應(yīng)力,阻止下層裂縫尖端延伸至罩面層,可以延緩裂縫的產(chǎn)生,同時(shí)形成的富油層起到較好的防滲水作用,但不能完全防止發(fā)生反射裂縫。在舊水泥混凝土路面與瀝青加鋪層之間設(shè)置防裂層,可以使瀝青層底面應(yīng)力或應(yīng)變因離開(kāi)應(yīng)力集中的接縫或裂縫端部而減低,同時(shí)也改變了加鋪層的抗拉和抗剪能力,防治反射裂縫。

3.2 使用新型瀝青混合料

在瀝青混合料中摻加聚丙烯或聚脂合成纖維,增加混合料的抗拉強(qiáng)度,在層間阻止裂縫的反射。這種混合料能通過(guò)特制的裂縫反射試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其在輪載作用下的斷裂特性,卻不能獲得其對(duì)溫度應(yīng)力的影響。橡膠瀝青是采用高劑量的廢橡膠粉,以瀝青作為橡膠分散劑制成的一種新型結(jié)合料。將砂石骨料加入橡膠瀝青制成瀝青混合料,鋪于路面,其熱穩(wěn)定性及防裂性很好。

乳化瀝青進(jìn)行稀漿封層,是用細(xì)粒式的級(jí)配石料或砂作骨料,以乳化瀝青為粘結(jié)料,加填料后攤鋪成瀝青表處薄層。它具有施工快、密實(shí)度高、黏附力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn),可以更好地減少反射裂縫的產(chǎn)生。

采用改性瀝青,合適的加鋪層厚度,以 7—10 cm為宜。增加瀝青加鋪層的厚度,是減少反射裂縫最常見(jiàn)也是一種行之有效的方法。隨著瀝青加鋪層厚度的增加,裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小[4]。增加瀝青加鋪層的厚度,一方面可以減少舊路面結(jié)構(gòu)的溫度變化,降低接縫處瀝青加鋪層的溫度拉 (彎拉)應(yīng)力,另一方面可以增加路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度,降低接縫處的彎沉及彎沉差,減少加鋪層的剪切應(yīng)力。同時(shí),對(duì)于較厚的加鋪層來(lái)說(shuō),裂縫由加鋪層底面擴(kuò)展到頂面需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的距離與時(shí)間,也即可以延長(zhǎng)其使用壽命。

3.3 裂縫和通縫的修補(bǔ)

表面是板塊表面產(chǎn)生不貫穿板厚的淺裂縫,這種裂縫不影響板塊的承載力。寬度小于 5mm的裂縫,可將縫鑿成 5mm寬,深至無(wú)裂縫處的“V”字型,用壓縮空氣吹凈縫內(nèi)雜物,用水泥或?yàn)r青砂灌縫;寬度大于 5mm的裂縫,宜用高強(qiáng)度細(xì)石混凝修補(bǔ),用鋼絲刷刷去松動(dòng)的混凝土碎塊,然后用細(xì)石拌制的混凝土混合料修補(bǔ)。對(duì)破損較淺、較窄的路面,在鑿除一定厚度后,用砼填平;對(duì)破損較深和較寬的路面,先用切割機(jī)切除損壞部分,然后澆筑同標(biāo)號(hào)砼;對(duì)發(fā)生錯(cuò)臺(tái)或網(wǎng)狀開(kāi)裂的面板,整板鑿除后,重新夯實(shí)路基及基層,澆筑同標(biāo)號(hào)砼;對(duì)板脫空、彎沉較大及不均勻沉陷的部位,鉆穿面板后,用水泥漿高壓灌注處理。

通縫采用瀝青砂、瀝青瑪蹄脂直接灌縫,方法比較簡(jiǎn)單,但不能有效防止加鋪層的反射裂縫。為了減少通縫的危害,應(yīng)將通縫切除,吹除雜物并用水沖洗干凈,寬度較小的裂縫可直接灌入聚氯乙烯膠泥或其它防水材料,寬度較大的裂縫應(yīng)用水泥混凝土進(jìn)行修補(bǔ)。并在有裂縫表面涂刷黏層油,防止雨水滲入土基,使新舊面層結(jié)合緊密。

4 結(jié)束語(yǔ)

反射裂縫是瀝青加鋪層改造舊水泥混凝土路面后易出現(xiàn)的病害,對(duì)瀝青加鋪層的使用功能和壽命有著直接的影響,通過(guò)分析反射裂縫的產(chǎn)生機(jī)理,采取相應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理的處治措施,可以大幅度減少反射裂縫病害在舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層出現(xiàn),延長(zhǎng)路面的使用功能和壽命。

[1] 陳貴鋒.高等級(jí)公路瀝青路面反射裂縫的分析與防治[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2003(3).

[2] 范松濤,魏曉芳.瀝青混凝土路面反射裂縫產(chǎn)生機(jī)理及其常用防止對(duì)策[J].黑龍江交通科技,2003(12).

[3] 鄭淵,聶憶華.水泥砼加鋪瀝青罩面反射裂縫預(yù)防和延緩技術(shù)探討[J].公路與汽運(yùn),2004(4).

[4] 楊德生.舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層防止反射裂縫常用措施[J].華東公路,2008(1).

Study on asphalt overlay reflective crack formation mechanis m

ZHANG Zheng-ya,ZHANG Jiao-na,LI You,ZHAO Yuan-long
(Transportation Research Institute,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)

Reflective crack is one of major damage that the old concrete pavement has after restored by adding asphalt overlay and affects directly function and service life of road usage.Reflective crack caused surface cracking,spalling,surface water infiltrating along the seam,so that the road was damaged.Therefore,to extend the old concrete pavement service life of asphalt overlay and reducie reflective cracks in asphalt pavement are primary problems that designer faces.Based on in-depth analysis of reflective crack formation mechanism,this paper gives reflective crack preventive and curative measures.

reflective crack;old concrete pavement;for mation mechanis m

U 416.217

A

1009-4881(2010)01-0067-03

10.3969/j.issn.1009-4881.2010.01.019

2009-09-22.

張正亞 (1969-),男,講師,博士研究生,E-mail：zhangin1021@sina.com.