復(fù)合式路面反射裂縫形成機理及防治技術(shù)

周 勇

（南京市溧水區(qū)交通運輸局，江蘇 南京 211200）

0 前言

瀝青混凝土與水泥混凝土復(fù)合式路面剛?cè)嵯酀?，兼顧剛性路面和柔性路面的?yōu)點，水泥混凝土板提供一個穩(wěn)定、堅實的基礎(chǔ)，瀝青混凝土作為表面功能特性優(yōu)良的磨耗層，這種路面結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)成為長壽路面的一種結(jié)構(gòu)形式。然而，在水泥混凝土板間存在各種形式的裂縫，在荷載作用下，瀝青面層在裂縫處容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生反射裂縫，水沿著裂縫滲入路面結(jié)構(gòu)體內(nèi)，導(dǎo)致路面出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)性破壞的病害。因此，路面的反射裂縫一直為道路界的研究熱點，本文將在分析反射裂縫產(chǎn)生機理及原因的基礎(chǔ)上，對比分析現(xiàn)行幾種常用的抗反射裂縫措施，為復(fù)合式路面反射裂縫的防治提供一定的參考。

1 反射裂縫產(chǎn)生機理

一般認(rèn)為，反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展是由于裂縫兩端材料移動所造成的，而這些移動又主要是由于溫度變化、行駛車輛以及兩者的綜合作用引起。由溫度變化引起的反射裂縫常常稱之為溫度型反射裂縫，相應(yīng)地由行車荷載引起地反射裂縫稱之為荷載型反射裂縫。研究表明：溫度變化引起的水平位移是產(chǎn)生反射裂縫的主要原因。下層路面板產(chǎn)生的水平位移，使瀝青加鋪層在接縫裂縫處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。而瀝青混凝土在低溫時不易變形當(dāng)拉應(yīng)力超過瀝青混凝土的抗拉強度時，即出現(xiàn)開裂。

在溫度、濕度應(yīng)力和機輪荷載的綜合作用下，裂縫不斷向上開展，最后反射到加鋪層表面上來。反射裂縫的產(chǎn)生發(fā)展由開裂基體舊路原有裂縫在各種荷載應(yīng)力作用下，進(jìn)一步在瀝青加鋪層中的發(fā)展通常經(jīng)歷三個階段：起裂階段，裂縫由未開裂層中已存在的缺陷引起；穩(wěn)定擴展階段，從行車荷載或溫度荷載引起的應(yīng)力集中點開始，向上發(fā)展并貫穿整個層厚；破裂階段，在路表出現(xiàn)裂縫。一般認(rèn)為，裂縫的產(chǎn)生階段對應(yīng)于瀝青混合料的疲勞規(guī)律，裂縫的擴展階段對應(yīng)于斷裂力學(xué)中的疲勞擴展規(guī)律。

2 裂縫擴展模式

按裂縫的受力特點和位移特點，可以把它們抽象化為三種基本類型[1]：

（1）張拉型裂縫（I型），如圖 1（a）所示。正應(yīng)力σ和裂縫面垂直，在正應(yīng)力作用下，裂縫尖端處左右兩個平面張開而擴展，且裂縫擴展的方向和σ作用方向垂直。這種裂縫擴展模式稱為張拉型裂縫，也稱為I型裂縫。

（2）滑開型裂縫（II型），如圖 1（b）所示。剪應(yīng)力τ和裂縫表面平行，而且它的作用方向也與裂縫方向垂直，在剪應(yīng)力作用下裂縫的上下兩個平面相對滑移而擴展。這種裂縫擴展模式稱為撕開型裂縫，或稱為II型裂縫。

（3）撕開型裂縫（III型），如圖 1（c）所示。剪應(yīng)力τ和裂縫表面平行，而且它的作用方向也與裂縫方向平行，在剪應(yīng)力作用下裂縫的上下兩個平面撕裂擴展。這種裂縫擴展模式稱為撕開型裂縫，或稱為III型裂縫。

實際工程結(jié)構(gòu)往往不僅承受拉伸載荷，還可能承受剪切（面內(nèi)剪切或離面剪切）與扭轉(zhuǎn)載荷，因此裂縫可能同時承受I型、II型和III型載荷，即出現(xiàn)復(fù)合型斷裂裂縫。在路面工程中以I型、II型裂縫最常見，同時也是最危險的裂縫形式。

3 反射裂縫形成原因

3.1 荷載作用

圖1 裂縫擴展模式

當(dāng)汽車荷載經(jīng)過復(fù)合式路面水泥板層位的接縫或裂縫時在瀝青面層中產(chǎn)生的應(yīng)力影響如圖1所示，可分為3個過程：（1）軸載位于裂縫一側(cè)時，裂縫兩側(cè)產(chǎn)生較大的相對位移，在面層中造成較大的剪切應(yīng)力；（2）軸載位于裂縫頂面時，兩板無相對位移或相對位移較小，面層主要承受彎拉應(yīng)力作用；（3）軸載駛離裂縫時，在面層內(nèi)產(chǎn)生于第一次方向相反的剪切應(yīng)力，在整個過程中面層受到兩次剪切，一次彎曲，而且是連續(xù)的。但是，如果裂縫兩端的傳和能力良好，或者底基層、路基剛度較大且無脫空，那么上述三個過程區(qū)分將不明顯。圖2顯示了汽車荷載行駛經(jīng)裂縫正上方時，面層底部的應(yīng)力強度因子變化值。

3.2 溫度變化

圖2 車輛荷載作用過程中裂縫尖端應(yīng)力強度因子變化示意圖

溫度的循環(huán)變化被認(rèn)為是引起反射裂縫的主要原因之一，尤其是在寒冷的季節(jié)。冬季氣溫低，水泥路面產(chǎn)生溫縮變形，水泥板與瀝青混凝土面層完全粘結(jié)，水泥板的溫縮變形在瀝青面層上的接縫或裂縫處產(chǎn)生拉應(yīng)力。與此同時，瀝青面層材料也會因為低溫產(chǎn)生收縮，面層長度有減小的趨勢，在接縫或裂縫的正上方，瀝青面層的收縮抵制水泥板開裂，這樣就會在瀝青面層中產(chǎn)生附加應(yīng)力。附加應(yīng)力的大小與瀝青面層在裂縫或接縫的收縮變形成正比，與瀝青混凝土收縮有關(guān)的因素有：季節(jié)性氣溫變化大小、面板長度、瀝青混凝土的溫縮系數(shù)。另外，瀝青混凝土沒有與水泥板粘結(jié)在一起的部分因為產(chǎn)生拉應(yīng)力要產(chǎn)生相對應(yīng)的應(yīng)力松弛，就構(gòu)成了季節(jié)性氣溫變化時瀝青混凝土罩面中產(chǎn)生的應(yīng)力，如果這種應(yīng)力超過面層混凝土的抗拉強度，瀝青混凝土面層就會產(chǎn)生反射裂縫。

3.3 水分

下雨天，水分通過面層的貫穿裂縫滲入路面體內(nèi)，使得面層與水泥板之間的粘結(jié)減弱，同時也使得基層、底基層及土基強度減弱。含水路面在行車荷載的反復(fù)作用下，產(chǎn)生沖刷、唧泥現(xiàn)象。裂縫處水泥板下的基層材料被沖走，從而產(chǎn)生空隙或空洞，形成脫空病害，行車荷載經(jīng)過此處時，在裂縫尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，加速裂縫的擴展，見圖3。

圖3 車輪荷載經(jīng)過脫空板時的應(yīng)力圖示

3 反射裂縫防治措施

國內(nèi)外關(guān)于反射裂縫的防治已經(jīng)有相關(guān)的研究，針對復(fù)合式路面的抗反射裂縫措施，主要集中于以下三個方面：

（1）增強瀝青面層的抗裂性能

增強瀝青面層抗裂性能主要包括兩個方面：改善瀝青面層材料和增加瀝青面層的厚度。改善瀝青面層的材料主要是采用改性瀝青、或是采用纖維瀝青混合料等措施，這種措施在一定程度上可以增強瀝青面層抵抗反射裂縫的能力，從而延緩裂縫在瀝青面層內(nèi)的擴展速度。但是從不同環(huán)境下的使用情況看來，這種措施并不能有效防治反射裂縫，而且由于采用改性瀝青或是纖維混凝土的瀝青面層價格昂貴，從經(jīng)濟性的原則上看，“性價比”較低。

通過增加瀝青面層厚度以防止基層反射裂縫，國際上通用的結(jié)論是需要將瀝青面層增加至15～25 cm[2]。增加加鋪層厚度，一方面可以減少基層的溫度變化，并降低加鋪層的拉應(yīng)力，另一方面可以增加路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，降低接縫處的彎沉差，減少面層底部的剪切應(yīng)力。同時，可以延長其疲勞壽命。但是，很多研究表明：瀝青面層厚度只能在一定范圍內(nèi)增加時才能明顯提高疲勞壽命，當(dāng)厚度超過這一范圍時，再單純依靠增加瀝青面層厚度，防治反射裂縫的效果就不明顯了。況且加鋪層過厚也不經(jīng)濟，所以簡單增加加鋪層厚度并不是防治反射裂縫的最佳措施。在其他條件相同的情況下，使用改性瀝青作為瀝青加鋪層結(jié)合料，能起到較明顯減輕反射裂縫病害的效果，這已經(jīng)得到道路工作者普遍認(rèn)同。

（2）設(shè)置防裂層

采用夾層體系的基本做法是在界面處鋪設(shè)一層高勁度的應(yīng)變吸收層，或一層有一定厚度、低勁度能起到應(yīng)力吸收作用的薄層。通常夾層體系包含以下三類：級配碎石層、SAMI應(yīng)力吸收層、土工合成材料。

級配碎石層是將具有一定厚度的優(yōu)質(zhì)級配碎石[3]作為上基層，而半剛性材料作為下臥層，這種上柔下剛式的“三明治”式結(jié)構(gòu)在很大程度上能夠防止和減少反射裂縫，同時級配碎石基層還能充當(dāng)具有排水功能的基層。級配碎石層是由特粗式開級配瀝青碎石混合料所組成，具有20%～35%的空隙率，它提供了一種散逸運動的方式，能夠把交通荷載與環(huán)境溫度作用下所引起的基層面板產(chǎn)生的運動消散掉。目前國內(nèi)將級配碎石作為半剛性基層與瀝青面層之間的中間層的設(shè)計尚不多見，但在美國、澳大利亞以及南非已作為減少瀝青路面反射裂縫的措施獲得了較多應(yīng)用，且效果較好。但是與其他方法相比，增加級配碎石層的經(jīng)濟性值得商榷。

SAMI（Stress Absorbing Membrane Interlayer）是一種低彈性模量，高韌性的應(yīng)力吸收材料。用這種材料鋪設(shè)的應(yīng)力吸收層從結(jié)構(gòu)的角度延緩了裂縫尖端的應(yīng)力集中，因此起到了較為明顯的防裂效果。根據(jù)斷裂力學(xué)的理論，如果面層與基層完全失去粘結(jié)就可以完全消除由于基層開裂而對瀝青面層的應(yīng)力集中，但是這種方法在現(xiàn)實中是不可能實施的，采用低模量的中間夾層卻是可以實現(xiàn)的，中間夾層通常具有較低的彈性模量且能承受很大的應(yīng)變而不破壞，在路面結(jié)構(gòu)中它能依靠自身的塑性變形來吸收應(yīng)力，不致把很大的應(yīng)變傳遞到面層上。在實際運用中，這種軟弱夾層施工有一定難度，而且使用效果褒貶不一。

在半剛性基層頂面設(shè)置各種土工合成材料來防治反射裂縫是近年來研究和應(yīng)用比較多的防裂措施，其中使用最多的是土工織物和玻纖格柵，這兩種都是一種單一的夾層。低勁度的土工織物在瀝青面層和半剛性基層之間能夠起到良好的應(yīng)力吸收作用，而且隨著土工織物模量的降低，效果越明顯。國內(nèi)外研究和應(yīng)用的結(jié)果表明，低勁度土工織物作為應(yīng)力吸收層有著比較好的效果，相比SAMI有著良好的經(jīng)濟性，并且易于施工。玻纖格柵是一種高勁度的土工合成材料，將其設(shè)置在瀝青面層和半剛性基層之間起到了應(yīng)變吸收的作用。玻纖格柵在限制基層運動的同時也為瀝青面層提供了強度，玻纖格柵的使用效果隨著其模量的增加而越明顯。在各類防裂措施中，在面層和基層之間鋪設(shè)一層夾層是一種有效而廣泛使用的防裂措施，并且具有較高的經(jīng)濟性。

（3）板底脫空壓漿

復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)型式在水泥混凝土路面改造中應(yīng)用最為廣泛，然后，舊水泥路面的病害必然導(dǎo)致反射裂縫加速發(fā)展，特別是水泥混凝土的板底脫空病害，目前，針對該類病害應(yīng)用最多的改善措施是高壓注漿。

水泥混凝土路面板底脫空壓漿處置技術(shù)，是一種針對路面板的脫空而提出的修復(fù)板底密貼，確保板底均勻支撐的技術(shù)措施，其主要作用是：通過壓漿處理，可以填充板底脫空，恢復(fù)密貼，改善水泥板的支撐狀況，減小水泥板間在受力狀態(tài)下的位移差，增強復(fù)合路面的抗反射裂縫效果。舊水泥混凝土路面在壓漿處理后，由于壓漿材料本身穩(wěn)定性好，強度大，加上漿體的流動性能好，在高壓作用下，有較強的滲透力，可以完全改善板底脫空現(xiàn)象，減少斷板和板間彎沉差，提高復(fù)合式路面的抗反射裂縫效果。

4 結(jié)語

在車輛荷載和環(huán)境的作用下，水泥混凝土+瀝青混凝土復(fù)合式路面的反射裂縫是不可避免的。在復(fù)合路面的設(shè)計與施工過程中，可以通過適當(dāng)增加瀝青混凝土面層厚度、采用密級配感溫性能好的瀝青混合料以及在水泥板與瀝青面層間設(shè)置抗裂層等措施延緩反射裂縫擴展速度。與此同時，應(yīng)該盡量做好路面的防水措施，避免雨水滲入路面體內(nèi)，導(dǎo)致水泥板底脫空，加速反射裂縫的發(fā)展。

[1]黃維揚.工程斷裂力學(xué)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1992.

[2]劉先森.水泥混凝土加鋪瀝青罩面預(yù)防或延緩反射裂縫技術(shù)探討[J].廣東公路交通,2002(4):40-43.

[3]李淑明,蔡喜棉,許志鴻.防止反射裂縫的瀝青加鋪層設(shè)計方法[J].華東公路,2001,131(4):3-6.