瀝青路面的裂縫及預(yù)防

張先鋒，張景平

（1.聊城三山公路工程監(jiān)理有限公司，山東聊城 252000；2.東阿公路管理局，山東聊城252200）

0 前言

隨著城市道路的迅速發(fā)展，近年來，我國城市道路的建設(shè)大多采用半剛性基層瀝青路面。與其他類型路面相比，瀝青路面具有表面平整、無接縫、振動(dòng)小、噪音低、行車平穩(wěn)舒適，養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。因此瀝青路面較水泥混凝土路面更適用于城市道路。但瀝青路面也存在著抗彎拉強(qiáng)度低、面層的溫度穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)。

1 瀝青路面裂縫的形式

瀝青路面裂縫的形式按形狀分：橫向裂縫、縱向裂縫、龜狀裂縫和網(wǎng)狀裂縫：按有無荷載可分：荷載裂縫和非荷載裂縫；按路面有無沉陷分為：沉陷性、疲勞性裂縫和非沉陷性早期裂縫。

2 瀝青路面開裂原因

（1）瀝青路面開裂的主要原因可分為兩大類：一種是由于行車荷載的作用而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性破壞裂縫，一般稱之為荷載型裂縫。另一種主要是由于瀝青面層溫度變化而產(chǎn)生的溫度裂縫，包括低溫收縮裂縫和疲勞裂縫，一般稱之為非荷載型裂縫。

（2）由于我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定或推薦瀝青路面采用半剛性基層。所以還存在著因?yàn)榘雱傂曰鶎拥臏乜s裂縫或干縮裂縫引起瀝青面層產(chǎn)生的反射裂縫或?qū)?yīng)裂縫。此類裂縫主要是非荷載型的，在某些情況下也可能是由溫度和荷載共同完成的。

（3）堤防自身直接影響瀝青路面裂縫的產(chǎn)生，堤身發(fā)生不均勻沉降，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫、下蟄、錯(cuò)位等破壞現(xiàn)象。

2.1 設(shè)計(jì)原因

（1）路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，厚度不足，路面強(qiáng)度無法滿足行車要求或者對(duì)路面設(shè)計(jì)年限內(nèi)交通量年均增長(zhǎng)率估計(jì)偏小，以至瀝青路面產(chǎn)生裂縫。

（2）地下管道設(shè)計(jì)深度不夠，導(dǎo)致基層壓實(shí)不平引起瀝青路面的橫向裂縫。

2.2 材料因素

（1）瀝青混合材料過細(xì)，其結(jié)合料過少（即石油比過低）；炒制過火。

（2）瀝青混合料中集料級(jí)配不佳，石料偏少。

（3）瀝青材料配合比不正確。

（4）瀝青原材料低溫延性差或?yàn)r青混合料粘結(jié)力低，造成路面早期裂縫。

2.3 自然條件與施工因素

（1）路基或基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，路基局部下沉路面掰裂。

（2）半剛性基層在鋪建時(shí)隨著混合料水分的減少產(chǎn)生干縮應(yīng)力，形成干縮裂縫。

（3）基層混合料的離析或輾壓不密實(shí)及機(jī)械組合不合理，造成基層上部細(xì)粒料上浮，形成強(qiáng)度較弱的薄層，在行車荷載作用下，易產(chǎn)生龜狀裂縫。

（4）半剛性基層養(yǎng)生不當(dāng)直接影響干縮裂縫的產(chǎn)生。

（5）半剛性基層養(yǎng)生結(jié)束后，如果不及時(shí)灑鋪封層或透層油，隨著暴曬時(shí)間的增長(zhǎng)產(chǎn)生干縮裂縫。

（6）施工填土未壓實(shí)，路基產(chǎn)生不均勻沉陷，接縫處壓實(shí)未達(dá)到要求，在行車作用下形成縱向裂縫。

（7）瀝青混合料攤鋪時(shí)間過長(zhǎng)，其表面溫度低，內(nèi)部較熱，用重型壓路機(jī)碾壓易引起路面表面切斷。

（8）施工接縫處理不當(dāng)、碾壓方式不正確易產(chǎn)生橫向裂縫。

2.4 超載因素

（1）由于超載車輛引起累計(jì)軸次的增大，從而引起設(shè)計(jì)彎沉值減小。

（2）由于超載造成正常設(shè)計(jì)的路面基層或低基層抗拉強(qiáng)度不足，使其提前在層底產(chǎn)生拉裂。

（3）由于超載，加之車輛的振動(dòng)沖擊作用，可將路面壓壞，即一次性破壞作用。

（4）由于超載，車輛在上下坡、剎車時(shí)將加速瀝青路面層的剪切破壞。

3 瀝青路面裂縫應(yīng)力分析

3.1 結(jié)構(gòu)性破壞裂縫

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，大于半剛性基層材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，半剛性基層的底部就會(huì)很快開裂。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。選取不同的瀝青面層厚度和半剛性基層厚度，通過試驗(yàn)得出半剛性基層底部的拉應(yīng)力與半剛性材料回彈模量間的關(guān)系曲線。

3.2 溫度裂縫

瀝青面層上的非荷載型裂縫主要是溫度裂縫。溫度裂縫有兩種，一種是低溫收縮裂縫或簡(jiǎn)稱低溫裂縫，另一種是溫度疲勞裂縫。

3.2.1 低溫裂縫

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)變一旦超過瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，瀝青面層就會(huì)開裂。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。

3.2.2 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。

3.2.3 光彈試驗(yàn)

在面層和基層均無裂縫的情況下，表面降溫30℃，在瀝青面層中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力分布。在面層已有裂縫時(shí)，光彈試驗(yàn)得到的溫度應(yīng)力分布狀況。

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。

3.3 半剛性路面的反射裂縫和對(duì)應(yīng)裂縫

3.3.1 由半剛性基層溫縮開裂引起的反射裂縫

通常假設(shè)導(dǎo)致反射裂縫的機(jī)理是處于瀝青面層下的半剛性基層已經(jīng)開裂，并且允許有垂直位移和水平位移。垂直位移是由行車荷載引起的下臥路面結(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。

3.3.2 由半剛性基層干縮開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裂，然后逐漸向下傳播形成對(duì)應(yīng)裂縫。以上結(jié)論已被長(zhǎng)沙交通學(xué)院光彈模型試驗(yàn)所證實(shí)，表面降溫30℃時(shí)，不同厚度瀝青面層內(nèi)下層裂縫上方的溫度應(yīng)力分布規(guī)律。

由不同的應(yīng)力分布規(guī)律不難推斷，通過進(jìn)一步的試驗(yàn)或計(jì)算，將會(huì)得到一個(gè)臨界面層厚度。面層厚于此臨界厚度時(shí)，裂縫將主要從表面開始；薄于此臨界厚度時(shí)，裂縫可能主要從底部開始。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)。

3.4 堤防自身裂縫

（1）由于機(jī)淤固堤工程措施是將泥漿放淤到堤身一側(cè)，且目前大部分措施都是以堤身作為一道“天然”圍堤，和外圍三面新筑圍堤形成一個(gè)封閉的施工單元，將泥漿放淤進(jìn)去。而泥漿中的水分就直接和堤身接觸，如果原堤身土質(zhì)比較疏松干燥，則泥漿中的水分就會(huì)被原堤身的干燥土壤很快吸收進(jìn)去，吸收了水分的干燥土壤就會(huì)很快改變其原有性狀，而沒吸收進(jìn)水分的一側(cè)則會(huì)保持其原來狀態(tài)，這樣，原來的堤身就會(huì)發(fā)生不均勻沉降，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫、下蟄、錯(cuò)位等滲透破壞現(xiàn)象。

（2）原有堤身再存在洞穴、裂縫等隱患，則發(fā)生這樣變化的速度會(huì)更快，破壞程度也會(huì)更嚴(yán)重。

（3）堤防加固工程施工措施是臨背河加高加寬原堤身，工程施工雖進(jìn)行開蹬、碾壓、檢驗(yàn)等工序。但該工程舊堤身部與新堤身部經(jīng)歷的時(shí)間不同，沉降系數(shù)也不同，這樣堤身就會(huì)發(fā)生不均勻沉降，進(jìn)而產(chǎn)生縱向裂縫破壞現(xiàn)象。

4 影響裂縫產(chǎn)生的主要因素

4.1 瀝青及瀝青混合料的性質(zhì)

瀝青和瀝青結(jié)合料的性質(zhì)是影響瀝青路面溫度開裂的最主要原因，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裂。

4.2 基層材料的性質(zhì)

基層材料的收縮性愈小，面層裂縫愈少。基層上有透層油以加強(qiáng)與面層的粘結(jié)對(duì)抗開裂是有好處的，基層材料種類對(duì)瀝青面層的裂縫率有明顯影響。

4.3 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。

4.4 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11～13次方的關(guān)系，即使是通過次數(shù)較少的重荷載也對(duì)路面破壞起著決定性的作用。

4.5 施工因素

主要指半剛性基層材料的碾壓含水量，半剛性基層完成后的暴曬時(shí)間等因素。

5 減輕瀝青路面裂縫的措施

根據(jù)規(guī)范，通過路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和厚度計(jì)算可以滿足瀝青路面強(qiáng)度和承載能力要求，基本解決荷載型裂縫產(chǎn)生的問題。對(duì)于如何避免或減輕非荷載型裂縫的產(chǎn)生，應(yīng)從設(shè)計(jì)與施工兩個(gè)方面來進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)方面：在進(jìn)行半剛性路面設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)選用抗沖刷性能好、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)小、抗拉強(qiáng)度高的半剛性材料做基層。選用松弛性能好的優(yōu)質(zhì)瀝青做瀝青面層。在缺少優(yōu)質(zhì)瀝青的情況下，應(yīng)采取改善瀝青性質(zhì)的措施。在穩(wěn)定度滿足要求的前提下，優(yōu)先選用針入度較大的瀝青做瀝青面層。瀝青面層采用密實(shí)型瀝青混凝土。采用合適的瀝青面層厚度，確保半剛性基層在使用期間一般不會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫和溫縮裂縫。為進(jìn)一步提高表面層抗溫度裂縫性能，可采用橡膠瀝青或聚合物瀝青在瀝青混凝土表面做一封層。設(shè)置應(yīng)力消減（應(yīng)力吸收）中間層。路基方面在項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)，盡可能先實(shí)施放淤固堤項(xiàng)目，使堤防隱患充分暴露，有針對(duì)性地處理后，再實(shí)施堤頂?shù)缆酚不こ添?xiàng)目。如果機(jī)淤固堤項(xiàng)目還沒有批復(fù)，不妨在堤頂路面硬化前先處理堤身隱患，再硬化路面。對(duì)于堤頂?shù)缆芬呀?jīng)硬化的堤段，機(jī)淤固堤時(shí)，放淤前先在靠堤身側(cè)修筑一道隔堤(需層層壓實(shí))，以截?cái)嘁蚍庞佼a(chǎn)生的滲水，從而消除或減小對(duì)原有堤身及堤頂?shù)缆樊a(chǎn)生的滲透破壞。堤防加高地段要經(jīng)一段時(shí)間沉降期后，進(jìn)行路面硬化工程實(shí)施，以避免堤身發(fā)生不均勻沉降產(chǎn)生縱向裂縫破壞現(xiàn)象。使用錐探灌漿措施處理堤防存在的虛土層、洞穴、堤身裂縫等隱患。該辦法在處理堤身虛土層、洞穴及裂縫隱患時(shí)，不需要大斷面開挖，對(duì)堤防道路交通和日常管理影響較小，效果也較為理想，造價(jià)也相對(duì)較低。施工方面：嚴(yán)格控制半剛性基層施工碾壓時(shí)的含水量，混合料的含水量不能超過壓實(shí)需要的最佳含水量或控制在施工規(guī)范容許的范圍內(nèi)。半剛性基層碾壓完成后，要及時(shí)養(yǎng)生。半剛性基層碾壓完成后或最遲在養(yǎng)生結(jié)束后應(yīng)立即用乳化瀝青做透層或封層。透層或粘層完成后，應(yīng)盡快鋪筑瀝青面層。

5.1 設(shè)計(jì)措施

（1）在設(shè)計(jì)中，充分估計(jì)和預(yù)測(cè)遠(yuǎn)景交通量，適當(dāng)考慮吧超載車輛的比列，適當(dāng)提高路面結(jié)構(gòu)層的標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)半剛性路面結(jié)構(gòu)時(shí)，優(yōu)先選用抗壓性能好，干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)小及抗拉強(qiáng)度高的半剛性材料做基層。

（2）設(shè)計(jì)地下管線的埋深不能深于路面以下30 cm。

5.2 材料措施

（1）選擇適合的道路材料和面層材料，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)組織設(shè)計(jì)，確定瀝青路面厚度。

（2）在瀝青混合料中添加石棉或木質(zhì)纖維料或采用較厚的瀝青面層減少或延緩由半剛性基層產(chǎn)生的反射裂縫。

（3）面層瀝青盡量選擇低稠度、髙延度、低含臘量的優(yōu)質(zhì)瀝青，在滿足穩(wěn)定度要求的前提下，選擇針入度較大的瀝青，必要時(shí)可選用干性瀝青。

5.3 施工措施

填土中不得含有淤泥、腐殖土及有機(jī)物等，壓實(shí)度達(dá)到規(guī)定值；嚴(yán)把瀝青混合料質(zhì)量關(guān)，使瀝青混合料級(jí)配最佳，礦料拌合粗細(xì)均勻一致，嚴(yán)格按配合比控制油石比；控制瀝青混合料所用瀝青的延度，拌制瀝青混合料時(shí)防止瀝青混合料加熱過度“燒焦”；混合料自加工廠運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)氣候較低時(shí)，應(yīng)覆蓋油布保溫；嚴(yán)格控制瀝青混合料施工溫度；攤鋪瀝青混合料后緊接著碾壓，縮短碾壓長(zhǎng)度；嚴(yán)格按碾壓操作規(guī)程作業(yè)，壓路機(jī)在對(duì)瀝青路面進(jìn)行碾壓時(shí)，車輛禁止在新壓路面調(diào)頭，碾壓的速度不宜快；在半剛性基層施工中，控制壓實(shí)的含水量；大風(fēng)和降雨時(shí)停止攤鋪和碾壓；宜采用全路寬整幅攤鋪，避免縱向分幅接茬；半剛性基層碾壓后，應(yīng)及時(shí)覆蓋灑水養(yǎng)生，潮濕養(yǎng)護(hù)5～14 d；剛性基層施工后，養(yǎng)生期內(nèi)嚴(yán)禁車輛通行，并在養(yǎng)生期結(jié)束后及時(shí)澆面層。

5.4 超載措施

（1）適當(dāng)增加路面厚度，使用更優(yōu)質(zhì)材料提高路面整體強(qiáng)度。

（2）增加車輛的后軸，改善車輛對(duì)路面的作用發(fā)展雙后軸及對(duì)后軸大型載貨車輛，避免道路的早期破壞。

（3）執(zhí)法從嚴(yán)，限制車輛超載運(yùn)輸，避免道路的早期破壞。

6 裂縫的治理

（1）一經(jīng)發(fā)現(xiàn)裂縫后應(yīng)立即修補(bǔ)以免水通過縫隙滲透到基層，造成基層破壞而影響面層。對(duì)于較小的很像裂縫和縱向裂縫，縫寬在6 mm以內(nèi)，宜將縫隙刷掃干凈，并用壓縮空氣吹去塵土后，可用灌入熱瀝青或乳化瀝青材料加以封閉處理；縫寬大于6 mm的，將裂縫內(nèi)雜質(zhì)處理干凈后，用瀝青砂或細(xì)粒式瀝青混凝土填充、搗實(shí)，并用烙鐵封口，撒砂，掃勻；也可以采用乳化瀝青混合料填封。

（2）輕微龜裂可采用刷油法處治，或進(jìn)行小面層噴油封面，防止?jié)B水?dāng)U大裂縫；大面積龜裂、網(wǎng)裂采用加封層或?yàn)r青表面處理。嚴(yán)重龜裂、網(wǎng)裂應(yīng)對(duì)基層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

（3）碾壓中出現(xiàn)微裂縫，可在終碾前，用輪胎碾進(jìn)行復(fù)壓，消除裂縫。

（4）因土基、路面基層的病害或強(qiáng)度不足引起的破損，應(yīng)處理路基或基層，然后再修復(fù)路面。

7 結(jié)語

瀝青路面裂縫的形式多種，路面裂縫產(chǎn)生的原因不一，在施工中必須牢固樹立預(yù)防為主的思想，嚴(yán)格把住施工各個(gè)環(huán)節(jié)。在工程質(zhì)量控制中，做到事前積極防治、事中嚴(yán)格控制、事后及時(shí)處治，最大限度地降低瀝青路面裂縫的產(chǎn)生，將裂縫控制在允許的范圍之內(nèi)，確保瀝青路面的使用壽命。實(shí)際上按照現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范要求，瀝青路面厚度設(shè)計(jì)相對(duì)偏厚，目前采用的半剛性基層收縮性都比較小，施工工藝水平有很大提高，所以新建半剛性瀝青路面上出現(xiàn)的裂縫絕大多數(shù)是瀝青路面本身產(chǎn)生的溫度裂縫。如何提高瀝青面層的防裂性能、改善瀝青及瀝青混合料的使用品質(zhì)應(yīng)是今后研究的主要方向。

[1]JTGF40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].