淺析半剛性基層瀝青路面裂縫形成機(jī)理

【摘要】本文從半剛性基層的特性出發(fā)，分析了其各種類(lèi)型裂縫的形成機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】半剛性基層；裂縫形成機(jī)理

一、引言

由于半剛性基層具有強(qiáng)度高、水穩(wěn)性和冰凍穩(wěn)定性好、剛性較大等優(yōu)點(diǎn)，此外，由于半剛性基層材料板體性好，利于機(jī)械化施工且工程造價(jià)低，能適應(yīng)重交通發(fā)展的需要，因而，我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)中越來(lái)越多地采用了半剛性材料基層和底基層。目前我國(guó)90%以上的高等級(jí)公路瀝青路面基層和底基層采用了半剛性材料，并且在我國(guó)今后高等級(jí)公路建設(shè)中，半剛性基層材料仍將成為路面基層的主要材料。

然而，隨著半剛性基層瀝青路面的大量應(yīng)用，在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)了不少問(wèn)題，尤其是裂縫問(wèn)題日益突出，并成為該結(jié)構(gòu)的主要缺陷。國(guó)內(nèi)已建成高速公路使用調(diào)查表明，通車(chē)后一年最遲兩年均出現(xiàn)了大量裂縫，裂縫率最高達(dá)640m/1000m2。就目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，引起路面開(kāi)裂的原因有很多，有面層材料方面的、基層材料方面的、設(shè)計(jì)方面的、施工方面的以及環(huán)境方面的，對(duì)路面裂縫所采取的防治措施也是分別針對(duì)上述幾方面的。從第一章對(duì)半剛性基層路面裂縫危害的詳細(xì)闡述可以看出，深入系統(tǒng)地研究和探討半剛性基層裂縫產(chǎn)生的具體原因并采取相應(yīng)有效的防治措施，將有益于延長(zhǎng)路面的使用壽命，使半剛性基層路面發(fā)揮其更好的使用性能，以適應(yīng)我國(guó)公路事業(yè)迅速發(fā)展的需要。

二、半剛性基層瀝青路面裂縫的主要類(lèi)型

瀝青路面開(kāi)裂的原因和裂縫的形式是多種多樣的，影響裂縫輕重的主要因素有：瀝青和瀝青混合料的性質(zhì)、基層材料的性質(zhì)、氣候條件、交通量和車(chē)輛類(lèi)型以及施工因素等。按路面開(kāi)裂的形式路面裂縫可分為：橫向裂縫、縱向裂縫和網(wǎng)狀裂縫；但就瀝青路面開(kāi)裂的主要原因而論，主要分為兩大類(lèi)，即荷載型裂縫和非荷載型裂縫。非荷載型裂縫又可分為瀝青面層自身的溫縮裂縫和由基層溫縮、干縮、疲勞引起的面層開(kāi)裂。瀝青面層自身的溫縮裂縫包括低溫收縮裂縫和由于溫度反復(fù)升降導(dǎo)致的溫度應(yīng)力疲勞裂縫。由基層溫縮、干縮和疲勞引起的面層開(kāi)裂形式主要是反射裂縫和對(duì)應(yīng)裂縫。在上述諸多類(lèi)型的裂縫中，非荷載型裂縫是最主要的，尤其是由半剛性基層材料溫縮和干縮引起的裂縫問(wèn)題最為嚴(yán)重。

三、半剛性基層瀝青路面裂縫形成機(jī)理

1.荷載型裂縫

荷載型裂縫主要是由于行車(chē)荷載作用而產(chǎn)生的，在車(chē)輪荷載作用下，路面回彈彎沉值逐漸增大，半剛性基層的底部產(chǎn)生彎拉應(yīng)力，當(dāng)此彎拉應(yīng)力大于半剛性基層材料的抗彎拉強(qiáng)度時(shí)，半剛性基層底部就很快發(fā)生開(kāi)裂，半剛性基層整體結(jié)構(gòu)被打破。在行車(chē)荷載的反復(fù)作用下，在裂縫尖端會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，底部的裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展到上部，并使瀝青面層也開(kāi)裂破壞。荷載型裂縫通常表現(xiàn)為稠密的縱向裂縫和網(wǎng)狀裂縫，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)車(chē)轍或沉陷。荷載型裂縫在中、低級(jí)公路及一些超載較嚴(yán)重的高等級(jí)公路輪跡處常見(jiàn)。從調(diào)查結(jié)果可知，高等級(jí)公路中這種裂縫并不多見(jiàn)，原因是這種裂縫的產(chǎn)生往往是由于結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度不足造成的，而我國(guó)大多數(shù)高等級(jí)公路采用半剛性基層，這種結(jié)構(gòu)恰恰具有高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)。

2.瀝青面層自身的溫縮裂縫

（1）低溫收縮裂縫

此種裂縫多發(fā)生在冬季，夏季在較高溫度條件下，瀝青混合料具有良好的應(yīng)力松弛性能，溫度升降產(chǎn)生的變形不至于產(chǎn)生過(guò)高的溫度應(yīng)力。但在冬季，隨著溫度下降，瀝青混合料變得越來(lái)越硬，在路面結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生溫度梯度，并開(kāi)始收縮。由于瀝青面層在路面結(jié)構(gòu)中是受約束的，當(dāng)氣溫大幅度下降時(shí)，瀝青混合料的應(yīng)力松弛趕不上溫度應(yīng)力的增長(zhǎng)，因?yàn)r青面層不是絕對(duì)的等厚，在較薄處瀝青面層就產(chǎn)生拉應(yīng)力。開(kāi)始時(shí)，由于瀝青混合料的勁度相對(duì)較低，這個(gè)拉應(yīng)力較小，但隨著進(jìn)一步的降溫，在低溫狀態(tài)下瀝青混合料的勁度增加，從而伴隨了收縮的進(jìn)一步增加。當(dāng)瀝青面層中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力或拉應(yīng)變一旦超過(guò)了瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度或極限拉應(yīng)變，瀝青面層就會(huì)開(kāi)裂。瀝青面層表面一旦開(kāi)裂，隨著持續(xù)的低溫或下一次降溫的到來(lái)，在裂縫的尖端會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，致使裂縫向下延伸并逐漸穿透整個(gè)瀝青面層。

（2）溫度疲勞裂縫

這種裂縫主要發(fā)生在太陽(yáng)照射較強(qiáng)烈，日夜溫差比較大的地區(qū)。在這些地區(qū)，瀝青面層白天溫度與夜間溫度之差相當(dāng)大，在瀝青面層中會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。由于長(zhǎng)時(shí)間溫度反復(fù)升降，這種應(yīng)力反復(fù)循環(huán)地作用在面層中，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)力松弛性能降低，最終達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，在瀝青面層的薄弱處首先開(kāi)裂，使路面產(chǎn)生疲勞裂縫。在我國(guó)7、8月份，大部分地區(qū)是多雨季節(jié)，當(dāng)赤日炎炎時(shí)瀝青表面的溫度可高達(dá)50℃～60℃，忽而天氣驟變，使氣溫在較短時(shí)間內(nèi)下降許多，這樣就在瀝青表面產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力。由于瀝青的質(zhì)量及瀝青面層厚度不均勻性，在瀝青面層較薄處，會(huì)因這種反復(fù)作用使瀝青面層產(chǎn)生溫度疲勞裂縫。

3.半剛性基層裂縫形成機(jī)理

半剛性基層的裂縫是由其溫度收縮、干燥收縮和疲勞荷載作用產(chǎn)生的，而疲勞荷載作用是次要的，主要因素是溫度收縮和干燥收縮。因而，半剛性基層材料的溫度收縮機(jī)理和干燥收縮機(jī)理便構(gòu)成了半剛性基層裂縫形成的主要機(jī)理。

（1）度收縮機(jī)理

半剛性基層材料固相顆粒大部分為結(jié)晶體和部分非結(jié)晶體，組成晶體的質(zhì)點(diǎn)（離子、原子、分子）在空間是很有規(guī)律地排列著，這些質(zhì)點(diǎn)由化學(xué)鍵和分子鍵產(chǎn)生的結(jié)合力相互約束。這種約束體現(xiàn)在質(zhì)點(diǎn)只能在原位置上做熱振動(dòng)，因此，其熱學(xué)性質(zhì)由質(zhì)點(diǎn)間的鍵性和質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)兩個(gè)因素所決定。

此外，半剛性材料中膠結(jié)物各礦料也有較大的溫度收縮性。存在于半剛性基層材料內(nèi)部大空隙、毛細(xì)孔、凝膠孔中的水主要是通過(guò)“擴(kuò)張作用”、“表面張力作用”和“冰凍作用”這三種過(guò)程對(duì)半剛性材料的溫縮性產(chǎn)生較大影響的。半剛性材料在干燥和飽水狀態(tài)下有較小的溫度收縮值，而在一般含水量下有較大的溫度收縮值。

（2）干燥收縮機(jī)理

半剛性基層的干燥收縮是指基層材料因內(nèi)部含水量變化而引起的體積收縮現(xiàn)象。其基本原理是由于水的蒸發(fā)而發(fā)生的毛細(xì)管張力作用、吸附水及分子間力作用、干燥收縮的層間水作用以及碳化脫水作用而引起的整體宏觀體積變化。

①毛細(xì)管張力作用。半剛性基層材料毛細(xì)管中水的彎液面存在內(nèi)外壓力差，即毛細(xì)管張力，以壓力的形式作用于毛細(xì)管壁。試驗(yàn)表明，外部環(huán)境的變化引起半剛性材料的干燥收縮，首先發(fā)生在大孔隙中的毛細(xì)管水的蒸發(fā)，而大孔隙中重力水蒸發(fā)，幾乎很少引起材料整體的宏觀體積變化。當(dāng)水分蒸發(fā)時(shí)毛細(xì)管水面下降，毛細(xì)管內(nèi)彎液面曲率半徑變小，致使壓力差增大，從而使半剛性材料產(chǎn)生初期的體積收縮。毛細(xì)管張力與毛細(xì)管半徑、彎液面曲率半徑以及相對(duì)濕度均成反比。隨著相對(duì)濕度的減小，彎液面曲率半徑變小，毛細(xì)管孔徑在變細(xì)，毛細(xì)管張力也就逐漸增加，而且后期增長(zhǎng)率越來(lái)越大。因此，在毛細(xì)管張力作用階段，隨著水分的散失，半剛性材料的干燥收縮率越來(lái)越大。

②吸附水及分子間力作用。毛細(xì)管水蒸發(fā)完結(jié)后，隨著相對(duì)濕度的繼續(xù)減小，半剛性基層材料中的吸附水開(kāi)始蒸發(fā)，使顆粒表面水膜變薄，其間距變小分子力增大，導(dǎo)致其宏觀體積進(jìn)一步收縮。其收縮量要比毛細(xì)管作用的影響大得多，但這一增強(qiáng)的趨勢(shì)也是有限度的，這是由于顆粒間同時(shí)也存在著排斥力，源于顆粒間中央處結(jié)合水的離子濃度高于顆粒表面很遠(yuǎn)處正常水溶液離子濃度，從而出現(xiàn)滲透壓力，水分子向顆粒間滲透，使顆粒互相排斥，所以隨著顆粒間距的進(jìn)一步減小，吸附水分子間力的作用達(dá)到最大值開(kāi)始逐漸減弱，在吸附水和分子間力的影響減弱過(guò)程中，層間水的作用開(kāi)始明顯，但它隨著晶胞間距的變小，顆粒間斥力逐漸增強(qiáng)，從而對(duì)宏觀收縮的影響越來(lái)越弱。

③反射裂縫形成機(jī)理。在半剛性基層瀝青路面上現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣觀測(cè)表明，相當(dāng)數(shù)量的裂縫為半剛性基層先裂而導(dǎo)致瀝青面層開(kāi)裂的反射裂縫，這一比例常超過(guò)50%，在高等級(jí)公路上的比例可能會(huì)更高。因此，反射裂縫成為高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面的主要病害。在冰凍或寒冷地區(qū)，特別是重冰凍地區(qū)，因溫度收縮或干燥收縮已開(kāi)裂的半剛性基層在由溫度變化引起的膨脹和收縮作用下會(huì)產(chǎn)生水平位移。當(dāng)行車(chē)荷載通過(guò)時(shí)，基層裂縫兩端之間會(huì)引起下臥路面結(jié)構(gòu)在裂縫處產(chǎn)生豎向位移差，在面層中引起面層剪切搓動(dòng)，使基層的裂縫反復(fù)張開(kāi)和縮小并產(chǎn)生剪切疲勞破壞而導(dǎo)致開(kāi)裂。根據(jù)調(diào)查資料分析，反射裂縫有以下特點(diǎn)：反射裂縫的形成與基層修筑質(zhì)量及基層材料溫縮性大小有關(guān)，是一種面層貫通式的通透縫；與半剛性基層收縮裂縫互相對(duì)應(yīng)，基層裂縫上口與反射裂縫下口基本吻合，偶有錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，一般錯(cuò)動(dòng)距離為3～15cm；反射裂縫間距有一定規(guī)律性，絕大多數(shù)間距為5～6m；裂縫的軸線較順直，一般成橫向條狀出現(xiàn)，縫隙比其他類(lèi)型裂縫要略寬一些，連續(xù)性也明顯一些。

四、結(jié)束語(yǔ)

高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面開(kāi)裂的成因，既有行車(chē)荷載方面的因素又有瀝青面層和半剛性基層材料方面的因素，既有設(shè)計(jì)方面的因素又有施工方面的因素。對(duì)于較厚面層路面，瀝青面層自身的溫縮裂縫是主要的。