舊水泥路面加鋪瀝青砼反射裂縫的成因及防治措施

韓小娟+李明+甘采博

摘 要：本文簡(jiǎn)要分析了加鋪瀝青路面反射裂縫的成因、擴(kuò)展模式，進(jìn)而介紹了幾種常見(jiàn)的防治措施，對(duì)水泥混凝土路面的改造具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：瀝青加鋪層；反射裂縫；防治措施；應(yīng)力吸收層

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The causes and dispose of reflective crack on old cement pavement floored with asphalt concrete overlay

HAN Xiao-juan，LI Ming，GAN Cai-bo

（School of Urban Construction ，University of South China， Hengyang ，Hunan 421001，China）

Abstract： This paper analyzes the causes of overlay reflective cracking of asphalt pavement ， extended mode ， and then describes several common preventive measures has certain reference significance for the transformation of the cement concrete pavement .

Key words： Asphalt overlay；Reflective cracking；Control measures；stress absorbing layer

水泥混凝土路面是一種強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)、耐久性好、反光性好、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、建筑材料易取的路面結(jié)構(gòu)，在高等級(jí)、重交通的道路上有著廣泛應(yīng)用。但隨著交通量的大幅度增長(zhǎng)和超重軸載的破壞作用，許多路面出現(xiàn)了路面斷板、角隅斷裂、錯(cuò)臺(tái)等病害，已不能滿(mǎn)足交通運(yùn)輸服務(wù)的需求，需要對(duì)其進(jìn)行維修改造。

在舊水泥路面上加鋪瀝青層被公認(rèn)為是一種可行且有效的恢復(fù)路面使用性能的措施，既充分利用了原有水泥路面的剩余強(qiáng)度，且具有造價(jià)低、施工方便、對(duì)環(huán)境和交通影響小等優(yōu)點(diǎn)。但由于舊路面板存在著接縫和裂縫，改造后的路面在溫度變化和行車(chē)荷載的反復(fù)作用下，瀝青加鋪層極易產(chǎn)生反射裂縫。反射裂縫的存在，不僅破壞了路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，而且一旦地表水沿反射裂縫向下滲透，在行車(chē)荷載作用下將很快導(dǎo)致裂縫的破碎和擴(kuò)展，致使瀝青面層逐漸失粘脫落，路基強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響了路面的使用壽命。

1.瀝青加鋪層反射裂縫形成機(jī)理

一般認(rèn)為，反射裂縫形成的過(guò)程可以分為兩個(gè)階段：反射裂縫的產(chǎn)生階段和反射裂縫的擴(kuò)展階段[1]。

1.1 反射裂縫形成原因

1.1.1 溫度型反射裂縫

溫度變化會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩種變形[2]：

（1） 由于晝夜溫差的存在，接縫處的瀝青加鋪層及水泥混凝土路面板將隨著溫度的變化分別產(chǎn)生收縮，從而引起反射裂縫的產(chǎn)生。

（2） 路面暴露在大氣中，受氣溫周期性變化的影響，致使各結(jié)構(gòu)層中溫度分布不均勻，又由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，造成水泥混凝土板及瀝青加鋪層收縮、翹曲，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青加鋪層產(chǎn)生反射裂縫。

1.1.2 荷載型反射裂縫

交通荷載主要引起瀝青加鋪層的剪切型反射裂縫。由于接縫、裂縫的存在，舊水泥混凝土路面作為基層的整體強(qiáng)度降低，而且在外力作用下，瀝青加鋪層處于三維應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)車(chē)輪荷載經(jīng)過(guò)接縫、裂縫時(shí)，接縫、裂縫兩側(cè)的板端出現(xiàn)豎向位移差，瀝青加鋪層在相應(yīng)位置將會(huì)承受較大的剪切應(yīng)力，如其超過(guò)瀝青加鋪層的抗剪強(qiáng)度，在接縫、裂縫處的瀝青加鋪層便會(huì)出現(xiàn)剪切型反射裂縫。

1.2 反射裂縫的擴(kuò)展模式

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，裂縫的擴(kuò)展主要有三種位移模式：張開(kāi)模式、剪切模式和撕開(kāi)模式，如圖1所示。在道路結(jié)構(gòu)中，不同種類(lèi)的荷載以及荷載的不同作用方式會(huì)導(dǎo)致不同的開(kāi)裂模式，其中，溫度應(yīng)力對(duì)反射裂縫的影響模式為張開(kāi)模式；行車(chē)荷載對(duì)反射裂縫的主要影響模式為張開(kāi)模式和剪切模式。當(dāng)車(chē)輪位于裂縫的正上方時(shí)，以張開(kāi)模式來(lái)引起反射裂縫；當(dāng)車(chē)輪位于裂縫之前或之后的位置時(shí)，反射裂縫主要以剪切模式出現(xiàn)。撕開(kāi)模式在瀝青加鋪層中不常出現(xiàn)。

與張開(kāi)模式相對(duì)應(yīng)的溫度型反射裂縫通常產(chǎn)生于薄層水泥面層底部，而后逐漸向上擴(kuò)展到罩面層頂面。而當(dāng)罩面層為瀝青面層或面層較厚且氣溫較低時(shí)，裂縫則產(chǎn)生在面層的頂面和底面，而后逐漸向中間擴(kuò)展，形成對(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，在周期性荷載作用下垂直向上擴(kuò)展。對(duì)于偏荷載作用下的剪切模式所對(duì)應(yīng)的反射裂縫，一般產(chǎn)生于加鋪層底面，之后向上擴(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)行車(chē)荷載和溫度應(yīng)力共同作用于復(fù)合路面結(jié)構(gòu)時(shí)，反射裂縫的擴(kuò)展介于偏荷載和溫度應(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。

行車(chē)荷載與溫度荷載耦合作用對(duì)溫縮裂縫具有一定的影響，在這兩種荷載的共同作用下裂縫擴(kuò)展模式比較復(fù)雜，目前還缺少相應(yīng)的理論和試驗(yàn)研究。

2.幾種有效的防治反射裂縫措施

2.1破碎和碾壓舊水泥混凝土路面

在舊路面板損壞較為嚴(yán)重，斷板率較高，且對(duì)損壞板進(jìn)行修復(fù)后再采取其他措施已不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可將舊路面板進(jìn)行破碎和碾壓，作為下承層，再加鋪瀝青混凝土面層。破碎后塊體之間的裂縫需貫穿板厚，以分散和消減應(yīng)力、應(yīng)變，同時(shí)裂縫也不宜過(guò)寬，否則易引起行車(chē)荷載在裂縫處的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力集中[3]。蘇衛(wèi)國(guó)，李曉華[4]利用有限元軟件模擬了不同舊路面板破裂尺度對(duì)瀝青加鋪層荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力的影響以及對(duì)舊路面板回彈模量實(shí)測(cè)值的影響。隨著破裂尺寸的減小，瀝青加鋪層的荷載應(yīng)力只是有了小幅度減小，影響并不大，同時(shí)對(duì)溫度應(yīng)力的影響卻十分明顯，破裂尺寸越小，溫度應(yīng)力下降越迅速，但是破碎后舊路面板尺寸減小之后，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也隨之降低，在既能最大限度減少瀝青加鋪層反射裂縫，又能保證破碎舊路面作為新加鋪瀝青層基層滿(mǎn)足承載力的要求的同時(shí)，推薦破碎舊水泥混凝土路面板的破裂尺度為50～80cm。

2.2增加加鋪層厚度

適當(dāng)增加瀝青加鋪層厚度可以延緩反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。增加加鋪層厚度，一方面可以減少舊水泥路面板的溫度變化，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，減少加鋪層的剪切應(yīng)力[5]。但是加鋪層并不是越厚越好，當(dāng)面層厚度超過(guò)12cm后，其對(duì)反射裂縫的防治效果已不十分顯著，同時(shí)還增加路面造價(jià)，還會(huì)受到標(biāo)高的限制。普遍認(rèn)為加鋪層的合理厚度范圍為9～15cm，為防止或減緩加鋪層反射裂縫的出現(xiàn)，瀝青協(xié)會(huì)建議瀝青加鋪層不應(yīng)低于10cm。

2.3設(shè)置裂縫緩解層

大粒徑透水性瀝青混合料（LSAM）是公稱(chēng)最大粒徑在25～63cm之間、一定量的細(xì)集料填充空隙的礦料熱拌熱鋪瀝青混合料，通常含有25%～35%的連通空隙，透水性能好，具有較小的回彈模量，且施工周期短，高溫穩(wěn)定性好[6]，工程中可將其鋪設(shè)于瀝青加鋪層與舊水泥路面層之間，作為裂縫緩解層延緩反射裂縫的產(chǎn)生。

LSAM是近幾年才從國(guó)外引進(jìn)來(lái)的一種骨架瀝青材料，由于其理論尚不成熟，目前應(yīng)用相對(duì)較少，相信隨著研究的深入，LSAM出現(xiàn)在我們視線(xiàn)中的機(jī)會(huì)也將越來(lái)越大。

2.4鋪設(shè)玻纖格柵

近年來(lái)，在水泥路面和瀝青加鋪層之間鋪設(shè)玻璃纖維格柵也成為一種常見(jiàn)的防治反射裂縫形式，被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于工程實(shí)踐中。玻纖格柵抗拉強(qiáng)度高、延伸率低、無(wú)蠕變、耐高溫、與瀝青混合料相容性好[7]，其優(yōu)良的物理化學(xué)性能，可以增強(qiáng)瀝青面層的整體抗拉強(qiáng)度，能均勻傳遞和分布應(yīng)力，有效地改善路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，從而達(dá)到抵抗和延緩由于路面的基層裂縫引起的路面反射裂縫的發(fā)生。在路面層中鋪設(shè)玻纖格柵造價(jià)低、維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、施工工藝簡(jiǎn)單易掌握，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。但玻纖格柵主要用以消散水平拉應(yīng)力，對(duì)于豎向剪切應(yīng)力的防治效果并不佳，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性，要想得到更廣泛的推廣，還有待研究。

2.5設(shè)置應(yīng)力吸收層

應(yīng)力吸收層是一種特殊聚合物改性瀝青混合料，瀝青含量高，粒徑小，能夠起到很好的防水滲透效果；具有良好地低溫柔韌性和高溫穩(wěn)定性，能夠消除部分剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，消散應(yīng)力集中現(xiàn)象[8]；具有吸收應(yīng)力的厚度效應(yīng)和使反射裂縫偏離原接裂縫的偏離效應(yīng)，由于應(yīng)力吸收層本身具有一定的厚度，設(shè)置應(yīng)力吸收層可減薄加鋪層的結(jié)構(gòu)厚度，即吸收層的厚度可以抵消一部分瀝青砼加鋪層的厚度[9]。

與玻纖格柵相比，應(yīng)用應(yīng)力吸收層防治反射裂縫在力學(xué)機(jī)理和減小加鋪層厚度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。應(yīng)力吸收層可有效防治溫度變化引起的張開(kāi)型反射裂縫和交通荷載引起的剪切型反射裂縫，且施工便捷易行、質(zhì)量易控，為我們防治反射裂縫提供了一種新的途徑。

3.結(jié)語(yǔ)

在舊水泥路面上加鋪瀝青砼是目前最常見(jiàn)最有效的舊路改造形式，但是反射裂縫的出現(xiàn)，使路面的使用壽命受到了極大的考驗(yàn)。由于反射裂縫的不可避免性，如何延緩反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展成為了研究的重點(diǎn)。破碎和碾壓舊路面板、適當(dāng)增加加鋪層厚度、加鋪大粒徑透水性瀝青混合料裂縫緩解層、設(shè)置玻纖格柵、應(yīng)力吸收層等都是經(jīng)過(guò)了實(shí)踐證明的防治反射裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的常用措施，可以在一定程度上有效的延長(zhǎng)路面使用壽命。

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