半剛性基層瀝青路面低溫抗裂性研究

趙 艷 光

(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理有限責(zé)任公司,山西 太原 030012)

1 概述

半剛性基層在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，瀝青路面是高速公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式。一直以來(lái)，半剛性基層具有穩(wěn)定性好，承載力高，施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是其具有縮裂性，容易在瀝青面層與半剛性基層之間形成薄弱點(diǎn)。在荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力的共同作用下，容易在瀝青面層局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)一步導(dǎo)致瀝青路面開(kāi)裂。在低溫季節(jié)，溫縮應(yīng)力增大，最容易產(chǎn)生開(kāi)裂。

瀝青路面開(kāi)裂后，雨水會(huì)從裂縫滲入到路面結(jié)構(gòu)中，造成基層破壞，產(chǎn)生唧漿等病害，進(jìn)一步滲入到底基層和路基導(dǎo)致結(jié)構(gòu)軟化，使整個(gè)路面結(jié)構(gòu)承載力下降，導(dǎo)致路面開(kāi)裂進(jìn)一步擴(kuò)展，大大縮短瀝青路面的使用壽命。在我國(guó)北方，由于冬季氣溫較低，瀝青路面結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生開(kāi)裂，必須采取措施，減少溫度裂縫的數(shù)量、延緩或抑制溫度裂縫的擴(kuò)展，提高瀝青路面的低溫抗裂性。

路面開(kāi)裂是各國(guó)瀝青路面普遍存在的瀝青路面病害，也是導(dǎo)致瀝青路面各類病害的關(guān)鍵，得到了各國(guó)的普遍重視。溫度裂縫是瀝青路面開(kāi)裂的主要形式之一，受到溫度應(yīng)力、行車荷載和材料性能的影響。其中，由于氣候寒冷，晝夜溫差大，溫度驟然下降所造成的裂縫最為嚴(yán)重。因此，對(duì)瀝青路面低溫抗裂的開(kāi)裂機(jī)理、影響因素進(jìn)行研究，提出低溫抗裂性的評(píng)價(jià)方法和防治措施，可有效預(yù)防瀝青路面早期開(kāi)裂，改善瀝青路面的使用性能，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，提高公路的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 低溫開(kāi)裂機(jī)理及影響因素

2.1 瀝青路面低溫開(kāi)裂機(jī)理

瀝青路面結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，在外界荷載和應(yīng)力的作用下，容易產(chǎn)生變形。在低于瀝青路面抗拉強(qiáng)度的情況下，只出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂。但是，在溫度驟然下降、晝夜溫差變化較大時(shí)，溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力綜合作用下，容易產(chǎn)生低溫開(kāi)裂。瀝青具有粘彈性和應(yīng)力松弛特性，但是在低溫情況下，瀝青的脆性增加，接近于線彈性，其應(yīng)力松弛能力大大降低。當(dāng)氣溫驟然下降時(shí)，瀝青路面材料體積收縮，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)瀝青路面結(jié)構(gòu)的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低溫開(kāi)裂。

2.2 瀝青路面低溫開(kāi)裂影響因素

1)瀝青質(zhì)量。

瀝青材料的選擇應(yīng)從油源、溫度敏感性、勁度等方面進(jìn)行選用，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粴夂驐l件。從油源上來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡可能采用稠油來(lái)煉制瀝青，可有效減少瀝青路面開(kāi)裂，提高低溫抗裂性。溫度敏感性對(duì)瀝青低溫抗裂性的影響較大，可以從溫度對(duì)瀝青性質(zhì)變化的影響分析低溫抗裂性。瀝青混合料的低溫勁度是影響瀝青路面開(kāi)裂的主要原因，瀝青混合料勁度的大小由瀝青勁度決定。同時(shí)，對(duì)瀝青進(jìn)行抽樣檢測(cè)，對(duì)針入度、延度、含蠟量和老化性能進(jìn)行檢測(cè)，確保其符合施工要求。

2)瀝青混合料。

影響瀝青混合料強(qiáng)度的關(guān)鍵是瀝青用量、空隙率和礦料組成級(jí)配，必須嚴(yán)格進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，控制瀝青用量在最佳用量的+0.5%～-1.0%。礦料級(jí)配方面，細(xì)粒式瀝青混凝土比間斷級(jí)配及密級(jí)配的中粒式瀝青混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂的程度低。礦料應(yīng)選用吸水性小、與瀝青粘附性好、堅(jiān)硬耐磨的集料，以提高其低溫強(qiáng)度。瀝青路面的空隙率與低溫抗裂性沒(méi)有直接關(guān)系，但會(huì)影響路面結(jié)構(gòu)的老化特性，增大瀝青路面的勁度，導(dǎo)致產(chǎn)生開(kāi)裂。

3)外界環(huán)境因素。

外界環(huán)境因素，主要是氣溫和溫度梯度對(duì)瀝青路面的低溫抗裂性影響最大。當(dāng)外界氣溫降到路面材料的脆化點(diǎn)溫度以下，并持續(xù)一段時(shí)間后，就會(huì)使瀝青路面產(chǎn)生開(kāi)裂。外界氣溫越低，瀝青路面產(chǎn)生的開(kāi)裂越嚴(yán)重。溫度梯度也稱為溫度差，瀝青面層頂部與底部溫度差越大，所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力越大，瀝青路面的開(kāi)裂情況越嚴(yán)重。研究表明，溫度梯度最大的季節(jié)是在每年的春季和秋季。同時(shí)，降溫速率、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射等因素對(duì)溫度梯度的影響也較大，一般處于風(fēng)口處的瀝青路面裂縫較多。

4)路面結(jié)構(gòu)。

路面寬度、面層厚度、層間粘結(jié)以及基層和土基的基本情況，都會(huì)對(duì)瀝青路面的低溫抗裂性造成影響。調(diào)查表明，在通車初期，對(duì)于7 m寬的瀝青路面，裂縫間距大概為30 m；而對(duì)于15 m～30 m的瀝青路面，裂縫間距大概在45 m。采用同樣的瀝青拌制的瀝青混合料，路面厚度較大的開(kāi)裂情況比薄的要輕。施工中在瀝青面層之間噴灑透層油，可有效減少溫度裂縫。半剛性基層熱容量小，易產(chǎn)生縮裂，與瀝青面層的附著性能差，導(dǎo)致瀝青路面容易出現(xiàn)橫向開(kāi)裂。由于半剛性基層與瀝青面層的粘附性差，瀝青面層內(nèi)部的溫度應(yīng)力無(wú)法傳遞到瀝青面層中去，只能在瀝青面層內(nèi)部積聚，容易導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。當(dāng)半剛性基層已經(jīng)開(kāi)裂時(shí)，容易在裂縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致路面面層開(kāi)裂。

3 低溫抗裂性評(píng)價(jià)方法

瀝青路面低溫抗裂性的評(píng)價(jià)方法，一般從低溫下的抗拉強(qiáng)度或抗變形能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)提出了以溫度應(yīng)力試驗(yàn)和積分試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)瀝青路面低溫抗裂性的主要方法。

我國(guó)在“八五”攻關(guān)成果中建議采用當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2和10 ℃延度作為瀝青低溫抗裂性的主要方法。隨著瀝青檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)現(xiàn)普遍采用5 ℃延度評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫抗裂性。

4 瀝青路面低溫抗裂的常用措施

4.1 選擇合適的材料

瀝青混合料所選用的瀝青，應(yīng)該選擇抗老化性能好的、較軟的、溫度敏感性低的瀝青或改性瀝青。集料應(yīng)選擇多棱角、吸水性差、堅(jiān)硬耐磨、與瀝青粘附性好的石料。

4.2 設(shè)計(jì)低溫抗裂性能好的路面結(jié)構(gòu)

在資金投入允許的情況下，適當(dāng)增加瀝青面層厚度，可有效地減少瀝青面層的低溫開(kāi)裂。同時(shí)，也可以緩解半剛性基層裂縫向上擴(kuò)展，防止產(chǎn)生反射裂縫。但是，瀝青面層的厚度也不能太厚，否則容易導(dǎo)致產(chǎn)生車轍等病害。采用柔性基層或是表面粗糙的基層，提高面層與基層的粘結(jié)效果，有利于溫度應(yīng)力向下傳遞，可有效減輕瀝青路面的開(kāi)裂。

4.3 優(yōu)化瀝青路面的施工工藝

1)加強(qiáng)層間粘結(jié)。

瀝青路面施工過(guò)程中，嚴(yán)格按照要求設(shè)置透層和粘層，加強(qiáng)層間粘結(jié)。我國(guó)瀝青路面施工普遍存在透層和粘層瀝青用量不足的現(xiàn)象，特別是采用乳化瀝青后，很多路面結(jié)構(gòu)的瀝青含量嚴(yán)重不足，根本起不到層間粘結(jié)的作用。

2)合理碾壓。

在瀝青路面施工中合理選型壓實(shí)機(jī)械的型號(hào)和類型，提高壓實(shí)效果，降低路面結(jié)構(gòu)的空隙率，減緩老化。鋼輪壓路機(jī)易使路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微裂縫，應(yīng)盡量選用輪胎壓路機(jī)進(jìn)行碾壓。

5 結(jié)語(yǔ)

瀝青路面是我國(guó)最常見(jiàn)的路面結(jié)構(gòu)形式，低溫抗裂性是其最主要的路用性能之一。通過(guò)對(duì)瀝青路面的低溫開(kāi)裂機(jī)理和影響因素進(jìn)行分析，可根據(jù)實(shí)際情況有針對(duì)性的采取措施進(jìn)行預(yù)防。文章對(duì)半剛性基層瀝青路面低溫抗裂的防止措施進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，有利于提升低溫開(kāi)裂的防治效果，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，提高瀝青路面的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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