瀝青混凝土加鋪層的反射裂縫研究

李浩瀚

同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司， 上海 200092

瀝青混凝土加鋪層的反射裂縫研究

李浩瀚

同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司， 上海 200092

在舊水泥混凝土路面上采用瀝青混凝土加鋪層是一種非常典型的補強方法，近年來得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。舊水泥混凝土路面接縫（裂縫）向上反射并貫穿瀝青面層，是瀝青混凝土加鋪層主要的病害形式。研究瀝青混凝土加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生機理及預(yù)防措施有助于提高瀝青加鋪層的使用壽命。

水泥混凝土路面；瀝青加鋪層；反射裂縫

水泥混凝土路面在我國有著廣泛的分布，經(jīng)過幾十年的使用，部分水泥路面已經(jīng)破損嚴重，不能滿足使用要求，使用瀝青混凝土加鋪層改造舊水泥混凝土路面具有工期短、投資少、行車舒適同時交通影響小等優(yōu)點。由于水泥混凝土與瀝青混凝土屬于不同性質(zhì)的材料，工作環(huán)境復(fù)雜，在舊混凝土板上存在接縫和裂縫，并常伴有錯臺、脫空等損壞現(xiàn)象，這些都會使加鋪層在對應(yīng)于舊路面板接縫（裂縫）的位置再次出現(xiàn)裂縫，這種裂縫常稱之為反射裂縫。

1、反射裂縫的形成機理

反射裂縫是由于舊面層接縫或裂縫附近的位移引起接縫或裂縫上方瀝青加鋪層內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中造成的，產(chǎn)生的原因包括由于環(huán)境溫度的變化和車輛的荷載作用。

1.1 環(huán)境溫度變化引起的反射裂縫

1.1.1 冬季氣溫較低使得接縫處水泥混凝土板產(chǎn)生收縮，由于舊面層與加鋪層的層間黏附阻力，瀝青加鋪層產(chǎn)生收縮而引起反射裂縫，這時的反射裂縫表現(xiàn)為加鋪層的開裂，即張開型反射裂縫。

1.1.2 季節(jié)性氣溫變化可使面層因產(chǎn)生過大的應(yīng)力而導(dǎo)致一次性開裂不同，日氣溫變化小且變化頻繁，在路面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度梯度造成水泥混凝土板及瀝青加鋪層的收縮及翹曲而導(dǎo)致加鋪層產(chǎn)生地張開，這也屬于張開型反射裂縫。

1.1.3 對于環(huán)境溫度變化引起的反射裂縫，接縫(或裂縫)間距越長，舊面層與基層頂面間的摩阻力越大，板平均溫度下降量或下降速度越大，混凝土板與瀝青層之間的黏附作用越強，則瀝青加鋪層內(nèi)出現(xiàn)的拉應(yīng)力便可能越大，反射裂縫越明顯。

1.2 車輛荷載引起的反射裂縫

路面在汽車荷載作用下，接縫(或裂縫)處形成較大的彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，使得兩側(cè)混凝土板在垂直方向產(chǎn)生相對位移，使接縫(或裂縫)上方的瀝青加鋪層產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，此剪切應(yīng)力如超過瀝青加鋪層的抗剪強度，在接縫(或裂縫)處的瀝青加鋪層便會出現(xiàn)剪切型反射裂縫。舊面層越薄，接縫(或裂縫)的傳荷能力越弱，基層的剛度越小，則車輛荷載引起的反射裂縫便可能越大。

1.3 水的因素

反射裂縫出現(xiàn)初期通常規(guī)模不大，對路面的使用性能影響也不大。初期反射裂縫通常產(chǎn)生于面層的底部，在周期性荷載和溫度等的作用下垂直向上擴展。當反射裂縫貫穿罩面后，水分能夠通過裂縫進入舊路面，使舊路面與面層聯(lián)結(jié)減弱；同時水分由舊路面進入土基，使接縫(或裂縫)附近的土基含水量加大，甚至飽和，造成路面結(jié)構(gòu)的承載能力明顯降低。同時反射裂縫在道路縱向及橫向持續(xù)發(fā)展，最終導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的徹底破壞。

反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展是一個復(fù)雜的過程，其產(chǎn)生的主要原因是溫度的變化和車輛荷載的作用，在其發(fā)展的過程中還附加了水的影響。此外在近年來的實踐中，舊混凝土路面本身的質(zhì)量缺陷正在引起越來越多的關(guān)注。

2、防止反射裂縫技術(shù)

國內(nèi)外的研究表明，為了防止瀝青混凝土加鋪層的反射裂縫，需要從包括罩面層、夾層、舊水泥路面板、基層、土基的整個路面結(jié)構(gòu)的整體出發(fā)，提高抗裂性能。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種方法和材料以防止或延緩反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，主要采用措施有如下幾種：

2.1 舊水泥混凝土路面處理

對舊水泥混凝土板的處理包括兩個方面：接縫（裂縫）處理水泥混凝土板處理。

2.1.1 對于接縫（裂縫）的處理一般采用清縫再灌縫的方法，適用于舊水泥路面接縫較為完整，裂縫較淺且未貫通水泥板的情況。同時，為了防止水分的破壞和加強路面接縫處的強度，可以沿著水泥路面接縫（包括較長較寬的裂縫）敷設(shè)瀝青防水卷材。試驗表明瀝青防水卷材處理的接縫基本可以杜絕水的侵入，有利于道路排水；同時瀝青防水卷材本身具有較大的模量且與舊水泥混凝土板黏結(jié)緊密，可以增強路面抵抗溫度及荷載帶來的應(yīng)力集中的能力；尤其是在反射裂縫發(fā)展的過程中，較強的變形能力和抗拉伸性能可以延緩反射裂縫的發(fā)展[1]。

2.1.2 對于較為嚴重的裂縫破壞以及破碎、龜裂、網(wǎng)裂、脫空等情況，采用換板或者注漿的處理方式：換板包括破除原有路面（包括基層），清理路床，排干水分并重新施工水泥路面；注漿可以采用多次注漿，即“注漿——開放交通——再注漿”的方式以確保質(zhì)量。值得注意的是修復(fù)過程中對舊混凝土路面?zhèn)髁U的修補，包括切割和恢復(fù)傳力桿，對水泥混凝土路面的修復(fù)效果影響很大。

2.2 增厚加鋪層

較厚的加鋪層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；另一方面可以延長裂縫由加鋪層底面擴展到頂面所需要的時間。單純依靠增加加鋪層厚度的方法有明顯的缺點，一方面研究表明，當瀝青加鋪層厚度在20cm以內(nèi)時，增加罩面層厚度可以延緩反射裂縫的發(fā)生，如果超過這一厚度，增加厚度的方法效果不明顯[2]；另一方面城市道路的標高受到多方面的控制，不允許出現(xiàn)過大的加鋪厚度；此外增加加鋪層厚度會將大幅度增加路面造價。因此加鋪層厚度一般控制在10～15cm。

2.3 提高加鋪層性能

在瀝青混凝土加鋪技術(shù)發(fā)展之初往往采用增大瀝青用量的方法來改善加鋪層性能，效果不明顯?，F(xiàn)在一般采用改性瀝青技術(shù)，瀝青瑪蹄脂碎石SMA使用最為廣泛[3]。與傳統(tǒng)的瀝青混凝土相比，SMA具有良好的表面性能，抗滑，車轍小，平整度高，對交通影響小，但是SMA必須使用改性瀝青，造價相對較高且施工難度比較大。

2.4 裂縫緩解層

在舊面層上設(shè)置裂縫緩解層， 可使舊面板接縫( 或裂縫) 處的彎沉差難以影響到瀝青加鋪層的上層， 從而減少反射裂縫的可能性，材料可以采用大粒徑瀝青混合料，例如開級配瀝青碎石混合料；還可以采用級配碎石。

大粒徑瀝青混合料大粒徑礦料多、瀝青含量少、空隙率大，可以有效地阻斷裂縫尖端的擴展路徑，減弱拉應(yīng)力、拉應(yīng)變的傳遞能力，并且能消散、吸收由交通荷載及溫度變化所產(chǎn)生的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力，但是需要保證路面排水通暢。

級配碎石作為散粒結(jié)構(gòu)不傳遞拉應(yīng)力、拉應(yīng)變，可以吸收接縫所釋放的應(yīng)變能。由于碎石層較厚，一般為10～15cm，使得舊水泥混凝土板的溫度變化、溫度變化速率及溫度梯度大大降低。

2.5 碎石化技術(shù)

如果舊混凝土面層的結(jié)構(gòu)損壞較嚴重，換板和注漿等修復(fù)措施已經(jīng)不夠經(jīng)濟時，可以對舊面層板進行破碎，然后施工瀝青混凝土面層[4]。應(yīng)用混凝土破碎機將面層板分解成碎塊，隨后碾壓使之穩(wěn)定；然后清除接縫和裂縫內(nèi)的松散混凝土和雜物，攤鋪瀝青混合料。

碎石化技術(shù)在美國已使用了30多年，但在使用效果上仍有爭議。此項措施在最初幾年可有效地減少反射裂縫，但4～5年后反射裂縫仍會大量出現(xiàn)[5]。此外破碎之后的碎塊尺寸要求也難以確定，一般規(guī)定在30～150厘米之間。

2.6 夾層

夾層是目前我國使用最為廣泛的防治反射裂縫技術(shù)。在舊混凝土面層和加鋪層之間設(shè)置夾層，可以使瀝青加鋪層底面的應(yīng)力或應(yīng)變因離開應(yīng)力集中的接縫(或裂縫)端部而降低；同時土工合成材料夾層具有一定的強度，可承受一定的拉應(yīng)力，提高瀝青加鋪層的抗拉強度，減少裂縫張開變形量；此外可以減小接縫的彎沉差，低裂縫尖端的剪應(yīng)力集中。夾層可以分成兩種類型：

2.6.1 第一種模量較高，如玻纖格柵、土工布等，此類材料抗拉強度高，可以提高面層的抗拉強度，延緩反射裂縫的發(fā)展。其中玻纖格柵的使用最為廣泛，實踐表明使用玻纖格柵可以增加約20%的疲勞壽命，玻纖格柵一般采用滿鋪的形式。

2.6.2 另外一種模量較高較低的夾層，例如橡膠瀝青、改性瀝青防水氈、改性瀝青砂或柔軟瀝青混凝土。使用較多的是橡膠瀝青SAMI應(yīng)力吸收層，其作用為降低舊面層與加鋪層之間的黏附阻力，使二者易于蠕動、滑移，從而減少溫度下降引起的反射裂縫。這種低模量的夾層必須要有合理的厚度，才能在這個厚度內(nèi)消散應(yīng)力集中現(xiàn)象，此外應(yīng)力吸收層對于接縫(或裂縫)之間的加鋪層的承載能力具有不良影響。

2.7 設(shè)計方法

加鋪層的設(shè)計有經(jīng)驗法和力學(xué)法。 例如國外的經(jīng)驗法有AASHTO方法、瀝青學(xué)會的方法，ARE的方法等，需要結(jié)合實際需求選擇。對于我國自身的情況，則需要更進一步的研究和探討。

3、結(jié)語

反射裂縫制約著瀝青加鋪層的質(zhì)量和性能，目前國內(nèi)已經(jīng)有較多的瀝青加鋪設(shè)計及施工經(jīng)驗，但還沒有形成完整的設(shè)計方法和質(zhì)量控制體系。此外我國的水凝土路面情況復(fù)雜、質(zhì)量差別很大、分布范圍廣泛，各地區(qū)的溫度狀況、交通條件也不相同。因此防治反射裂縫要根據(jù)不同情況分析采用不同的處理措施，綜合考慮材料性能、施工水平、交通狀況等條件，結(jié)合水泥混凝土路面檢測、評價、養(yǎng)護等技術(shù)，因地制宜地解決問題。

[1] 王選倉，劉凱，李善強.瀝青加鋪層夾層材料抗反射裂縫性能研究[J].建筑材料學(xué)報,2010，第13卷第2期：247～252

[2] 徐利.城市道路改建剛?cè)釓?fù)合式路面的研究[D] .合肥工業(yè)大學(xué)，2009

[3] 徐波.瀝青瑪蹄脂碎石( SMA) 在舊路改造中的應(yīng)用.城市道橋與防洪[J],2003，第6期：17～19

[4] 中華人民共和國行業(yè)標準 JTG D50-2006[S].公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范

[5] 肖金軍.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪技術(shù)研究[D].長沙理工大學(xué)，2007

U416. 216

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.019

李浩瀚 工學(xué)碩士 研究方向：道路工程