新建復合式路面反射裂縫成因分析

薛政柄，鄧星鶴

(1. 廣東二廣高速公路有限公司，廣東 清遠 513300; 2. 廣東華路交通科技有限公司道路研究所，廣東 廣州 510420; 3. 公路交通安全與應急保障技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，廣東 廣州 510420)

新建復合式路面反射裂縫成因分析

薛政柄1，鄧星鶴2,3

(1. 廣東二廣高速公路有限公司，廣東 清遠 513300; 2. 廣東華路交通科技有限公司道路研究所，廣東 廣州 510420; 3. 公路交通安全與應急保障技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，廣東 廣州 510420)

在對廣東省多條常規(guī)復合式路面反射裂縫統(tǒng)計分析的基礎上，總結(jié)常規(guī)復合式路面反射裂縫產(chǎn)生的原因及發(fā)展規(guī)律，并在此基礎上以二廣高速公路懷集先行試驗段養(yǎng)護為依托工程，對新建的復合式路面反射裂縫成因進行了分析，為二廣高速公路懷集先行試驗段的路面養(yǎng)護提供指導。

復合式路面;新建;反射裂縫;成因分析

0 前言

由兩層不同類型和力學性質(zhì)的結(jié)構(gòu)層復合而成的路面稱之為復合式路面。復合式路面結(jié)構(gòu)主要包括碾壓混凝土基層加瀝青罩面層(RCC+AC)和水泥混凝土基層加瀝青面層(CC+AC)兩類，其中CC+AC結(jié)構(gòu)較為普遍，其又以舊水泥路面加鋪瀝青層較為常見，下稱之為常規(guī)復合式路面。復合式路面結(jié)構(gòu)因基層板與瀝青罩面層屬于剛?cè)峤Y(jié)合，其典型病害為反射裂縫，通常在基層與瀝青罩面層之間設置防反材料來延緩反射裂縫的發(fā)生，防反材料主要有玻纖格柵、聚酯玻纖布、橡膠瀝青應力吸收層等。近年，部分省份亦對新建水泥混凝土路面加鋪瀝青層這類結(jié)構(gòu)進行了嘗試，下稱新建復合式路面。新建的復合式路面結(jié)構(gòu)和常規(guī)的復合式路面結(jié)構(gòu)存在較大差別，其反射裂縫的成因也存在一定的差別，對其反射裂縫成因進行分析有助于后續(xù)的路面養(yǎng)護。

1 常規(guī)復合式路面

1.1 反射裂縫發(fā)展情況

常規(guī)的復合路面結(jié)構(gòu)為舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層，廣東省內(nèi)的典型復合路面項目及其罩面層厚度、層間防反措施、舊水泥路面脫空判別標準等見表1所示。

表1顯示：①常規(guī)的復合路面舊水泥板脫空判別一般采用貝克曼梁法測試，判別標準一般選取板角彎沉大于0.02 mm，部分項目放寬了脫空判別標準，如深汕西和梅河分別提高到0.38 mm和0.4 mm，總體呈現(xiàn)為瀝青罩面層厚度越薄，其脫空判別標準越高；②瀝青罩面層厚度由6～18 cm均有分布；③層間處治以玻纖格柵加改性瀝青碎石下封層為主，部分項目亦采用了橡膠瀝青應力吸收層和聚酯玻纖布加改性瀝青碎石下封層。

表1 復合路面結(jié)構(gòu)基本信息

為總結(jié)復合路面的使用效果，對上述6個項目自通車以來的裂縫反射情況進行統(tǒng)計匯總，見圖1、圖2所示。

圖1顯示：①不同罩面厚度、不同的延緩反射裂縫的措施均未能完全消除反射裂縫的發(fā)生，在通車2～3 a均會出現(xiàn)反射裂縫，部分路段甚至在通車第2年即出現(xiàn)反射裂縫；②橡膠瀝青應力吸收層延緩反射裂縫的效果較好，如廣珠東復合路面通車4 a后的裂縫反射率僅8.4%。

圖2顯示：罩面層厚度越厚，其裂縫反射速率越低；如罩面層厚度達18 cm的佛開高速通車前3 a的平均反射速率僅0.9%，罩面層厚度7 cm的汕梅高速前3 a的平均反射速度則達到了8.7%。

圖1 各復合路面項目反射裂縫發(fā)展情況

圖2 罩面層厚度與裂縫反射率的關系

1.2 反射裂縫的產(chǎn)生機理

普遍認為，溫度變化和交通荷載是引起反射裂縫的兩大主要因素。交通荷載主要引起加鋪層的剪切型反射裂縫，在車輪偏荷載的作用下，接縫兩側(cè)的變形差過大而引起瀝青加鋪層的剪切破壞(見圖3)。溫度變化主要引起加鋪層張開型反射裂縫。溫度變化使得路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩種變形(見圖4): 一種是由于溫度下降使水泥混凝土板產(chǎn)生較大的溫縮而引起接縫處張開變形；另一種是由于晝夜溫差在各結(jié)構(gòu)層中的不均與分布，且各層材料的熱膨脹系數(shù)差異較大，造成水泥混凝土板收縮及翹曲而導致接縫處的瀝青加鋪層張開變形。第二屆反射裂縫國際會議形成了以下共識：溫度應力引起反射裂縫的產(chǎn)生，并參與了其最初的擴展，荷載應力則加速了裂縫的進一步擴展。

圖3 荷載型反射裂縫

圖4 溫度型反射裂縫(張開型)

2 新建復合式路面

二廣高速公路懷集先行段試驗路采用新建的復合式路面結(jié)構(gòu)。路面結(jié)構(gòu)為7 cm PG82GAC — 20面層+30 cm水泥混凝土基層+一布一膜滑動封層+22 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層；層間防反采用聚酯玻纖格柵加改性瀝青碎石下封層。通車后整體交通量不大，日平均交通量維持在1.5萬～1.7萬輛，大客車及中型以上的各種貨車交通量約為780輛/(d·車道)，屬于中等級交通，重車占比約為33%～35%。

2.1 反射裂縫發(fā)展情況

該試驗路通車已近3 a，通車第1年僅局部位置出現(xiàn)少量的反射裂縫，通車第2年其裂縫反射率為10.3%，通車第3年反射裂縫急劇發(fā)展，裂縫反射率達61%。如圖5。

圖5 新建復合路面反射裂縫發(fā)展情況

2.2 反射裂縫原因分析

與常規(guī)的復合式路面相比，該新建的復合式路面其反射裂縫存在兩個特點：一是反射裂縫出現(xiàn)的時間早；二是裂縫發(fā)展速率快。而從新建復合式路面和常規(guī)復合式路面的特點來看，則新建復合路面與常規(guī)復合路面存在以下幾點異同：

相同點：新建復合式路面和常規(guī)的復合式路面均為復合式路面結(jié)構(gòu)。

不同點：①水泥混凝土基層厚度為30 cm，較一般的水泥混凝土板要厚；②水泥混凝土板是新澆板，切縫還未發(fā)展為真縫，罩面完成后其切縫仍在繼續(xù)發(fā)展；③水泥混凝土板為新澆筑，在鋪筑瀝青層后其本身還存在一定的干縮，發(fā)生干縮時，不可避免地在瀝青層底產(chǎn)生一個拉應力；④水泥混凝土基層下設置有復合土工膜隔離層，該材料使得水泥混凝土基層和水穩(wěn)碎石底基層呈完全分離狀態(tài)，即水泥混凝土板的縱橫向變形都是自由的。

復合式路面的反射裂縫的兩大基本因素為溫度和荷載應力，此處不再贅述其機理。這里主要從新建復合式路面和常規(guī)復合式路面異同點來分析其反射裂縫發(fā)展規(guī)律迥異于常規(guī)復合式路面的原因，以此為后續(xù)的路面養(yǎng)護提供理論依據(jù)和指導。

2.2.1 假縫的繼續(xù)發(fā)展

本試驗段水泥混凝土基層橫向假縫深度為6 cm，即水泥混凝土基層橫向切縫位置仍有24 cm未斷開。參考廣東省內(nèi)其他項目經(jīng)驗可知，假縫發(fā)展為真縫大約需要1～2個月的時間。本試驗段中瀝青面層和水泥混凝土基層攤鋪間隔大部分在2個月以內(nèi)；此時，水泥混凝土基層的假縫未完全發(fā)展成真縫，相當于水泥混凝土基層板塊較長，而水泥混凝土和瀝青混凝土的線收縮系數(shù)差異較大，則在溫升和溫降過程中，它們是差異性的變形。則在假縫發(fā)展為真縫的過程中，瀝青層承受頻繁的拉壓應力，該拉壓應力將不可避免地造成瀝青層內(nèi)部發(fā)生損傷甚至是出現(xiàn)裂縫。

2.2.2 水泥板的干縮

新澆筑的水泥混凝土基層板在養(yǎng)生結(jié)束后，其板體較為潮濕，含水量較高，在鋪筑罩面層后，板體逐步發(fā)生干縮，干縮時其不可避免地在切縫處的罩面層底部產(chǎn)生一個持續(xù)增大的拉應力。且干縮時水泥混凝土板底是完全自由的，則板體干縮時變形量更大，對瀝青層的拉應力更大。

2.2.3 水泥板的翹曲變形大

廣東省氣候特點是高溫多雨，夏季路表最高溫接近60 ℃左右，本試驗路瀝青層厚度僅為7 cm，厚度較薄，較薄的瀝青層使得其下水泥混凝土基層受溫度影響較大，基層板易發(fā)生較為嚴重的翹曲變形，而本項目的水泥混凝土板的厚度為30 cm，厚度較厚，其頂部與底部的溫差相對較大，混凝土板發(fā)生的翹曲變形較大。板體升溫和降溫過程中瀝青層均承受一次向接縫兩側(cè)的拉應力，一天的溫度變化按一次升溫和降溫，則瀝青層一天承受2次循環(huán)的拉應力。本項目出現(xiàn)反射裂縫是在路面通車約7個月時出現(xiàn)，即瀝青層承受420次左右的循環(huán)拉應力。

綜合常規(guī)的溫度和荷載應力，加之上述新建復合式路面的3個特定因素，造成該新建復合式路面試驗段較快地出現(xiàn)反射裂縫，且反射裂縫發(fā)展速率較快。本新建復合式路面結(jié)構(gòu)反射裂縫發(fā)展過程總結(jié)起來可歸納為圖6所示。在a、b過程中水泥混凝土基層板的干縮以及假縫的發(fā)展等為新建復合式路面所特有，c、d過程則與常規(guī)的復合式路面無異；其中c、d過程中裂縫的出現(xiàn)有兩種情況：一是以單縫的形式出現(xiàn)，二是以雙縫或者三縫形式出現(xiàn)，此類原因分析較多，此處不再贅述。

圖6 新建復合路面反射裂縫發(fā)生過程示意圖

3 結(jié)語

本文在對常規(guī)復合式路面應用效果及反射裂縫發(fā)展規(guī)律總結(jié)分析的基礎上，對新建復合式路面反射裂縫產(chǎn)生的原因進行分析，得出以下結(jié)論：1)橡膠瀝青應力吸收層較常用的玻纖格柵，其延緩反射裂縫效果要好。

2)復合式路面中，瀝青罩面層厚度越厚，其裂縫反射至路面的時間越晚，裂縫發(fā)展速率越低。

3)復合式路面反射裂縫的成因主要與荷載和溫度相關。

4)新建復合式路面的干縮、假縫的發(fā)展以及水泥混凝土基層板的翹曲等均會造成瀝青罩面層的內(nèi)部損傷甚至是產(chǎn)生裂縫。

5)新建復合式路面水泥板下設置復合土工膜，使得水泥混凝土基層板呈完全滑移狀態(tài)，對路面防反射裂縫不利。

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