高寒山區(qū)瀝青路面裂縫修補(bǔ)材料應(yīng)用探究

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074)

前言

隨著“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略及“十三五”規(guī)劃的推進(jìn)，公路建設(shè)重心己由平原地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)向地理環(huán)境特征更加復(fù)雜的高寒山區(qū)。瀝青路面由于具備諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為我國公路路面主要的路面結(jié)構(gòu)形式。但在車輛荷載和自然環(huán)境的綜合作用下，無論是寒冷地區(qū)還是非寒冷地區(qū)，開裂問題都會(huì)存在，只是不同地區(qū)具有不同的開裂程度。高寒山區(qū)海拔高、溫度低、晝夜溫差大、紫外線輻射強(qiáng)，特殊的氣候環(huán)境條件使得開裂問題在高寒地區(qū)顯得尤為突出。裂縫是瀝青路面的主要病害之一，裂縫的存在不僅影響行車的舒適性和安全性，而且路表雨水通過裂縫滲入基層，還將大大削弱路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使瀝青路面受到更嚴(yán)重的破壞。為處治瀝青路面大量出現(xiàn)的裂縫，在路面設(shè)計(jì)階段，研究者們就開始采取設(shè)置應(yīng)力吸收層、增加瀝青層厚度、設(shè)置土工合成材料夾層等方法來減緩路面反射裂縫[1-3]。而針對(duì)已建成通車的瀝青路面表面裂縫，大多采用灌縫、填縫、貼縫的方式進(jìn)行路面裂縫修補(bǔ)[4]，灌縫是國內(nèi)外最常用的裂縫修補(bǔ)方式。瀝青路面裂縫進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)，可以提高路面使用質(zhì)量，延長使用壽命，對(duì)防治瀝青路面的早期破壞有著重要的意義。

為此，筆者對(duì)瀝青路面裂縫進(jìn)行分類，分析高寒地區(qū)裂縫的成因，并提出與高寒山區(qū)特殊氣候環(huán)境相適應(yīng)的修補(bǔ)材料的技術(shù)要求，為高寒地區(qū)瀝青路面裂縫修補(bǔ)提供參考。

一、瀝青路面裂縫的分類

國內(nèi)外對(duì)裂縫種類做了大量的觀察和分類，它們依據(jù)不同的分類方式將裂縫分為不同的類型，主要有以下幾種：

路面裂縫從外觀形狀上可分為橫向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)狀裂縫和龜裂。

路面裂縫從裂縫延伸的方向上可分為自上向下(Top-Down)和自下向上(Down-Top)兩種。

根據(jù)瀝青路面開裂的主要原因，可將裂縫分為荷載型裂縫和非荷載型裂縫兩大類[5]。

根據(jù)裂縫寬度可將裂縫分為4種[6]：裂縫縫寬小于5mm且對(duì)車輛行駛的平穩(wěn)性影響不太大的微裂縫；裂縫縫寬為5-15mm且會(huì)引起車輛輕微跳動(dòng)的小裂縫；裂縫縫寬為15-25mm且會(huì)引起車輛明顯跳動(dòng)的中裂縫；裂縫縫寬大于25mm且會(huì)引起車輛劇烈跳動(dòng)的大裂縫。

二、高寒山區(qū)瀝青路面開裂成因

由于高寒山區(qū)獨(dú)特的氣候地理環(huán)境，引起路面開裂的因素主要可分為荷載因素、氣候因素、設(shè)計(jì)及施工不當(dāng)?shù)?，這些因素綜合作用下導(dǎo)致瀝青路面開裂。

(一)氣候因素

氣候因素主要指溫度和紫外線對(duì)瀝青路面開裂的影響。高寒山區(qū)的瀝青路面承受著嚴(yán)峻的自然環(huán)境(低溫、大溫差、強(qiáng)紫外線)的考驗(yàn)，常出現(xiàn)過早老化、開裂等病害。一方面，高寒地區(qū)晝夜溫差大，氣溫低且低溫持續(xù)時(shí)間長，路面在使用過程中極易產(chǎn)生溫縮裂縫。另一方面，高寒山區(qū)由于海拔高，紫外線輻射強(qiáng)度大，使得瀝青面層老化變脆，在車輛荷載和溫度應(yīng)力的共同作用下，極易導(dǎo)致路面開裂；同時(shí)瀝青紫外光老化后黏度下降，與集料的粘附性變差，容易造成面層剝落，產(chǎn)生裂縫、坑槽等損壞形式，雨水通過裂縫、坑槽滲入到下層結(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步損害下層路面結(jié)構(gòu)，從而嚴(yán)重影響瀝青路面的使用性能和壽命。

(二)荷載因素

荷載因素是指道路在其正常營運(yùn)過程中，交通荷載對(duì)路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層的破壞。大量研究證明，行車荷載是造成瀝青路面開裂的主要因素。一方面，在車輛荷載的作用下，路面基層會(huì)隨之發(fā)生不規(guī)則性的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，當(dāng)拉應(yīng)力大于半剛性基層材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，半剛性基層底部就會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂紋，在行車荷載的反復(fù)作用下，裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展，底部的裂縫會(huì)逐漸向上延伸，形成反射裂縫；另一方面，由于交通荷載作用影響，會(huì)在路面輪跡帶兩側(cè)形成自上而下的Top-Down裂縫。此外，在交通荷載作用下，長大縱坡加劇了路面開裂。高寒山區(qū)地勢條件復(fù)雜，長大縱坡路段眾多，車輛荷載由于受坡度、坡長、頻繁加速和減速等原因影響，車輛荷載與路面作用時(shí)間變長，內(nèi)部應(yīng)力增大，使得長大縱坡路段更容易出現(xiàn)開裂等早期破壞。

(三)設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)

路面開裂可能是因路面設(shè)計(jì)的某些缺陷，或因施工不當(dāng)而引起的。設(shè)計(jì)方面，路面結(jié)構(gòu)層承載能力沒能滿足設(shè)計(jì)年限內(nèi)交通發(fā)展的需要；路面結(jié)構(gòu)類型選擇不當(dāng)。施工因素對(duì)瀝青路面裂縫的影響也是容易忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)。一方面，材料自身存在均質(zhì)性問題，瀝青混合料內(nèi)部差異性較大，進(jìn)而導(dǎo)致平整度、壓實(shí)度等都達(dá)不到規(guī)范要求，在外界環(huán)境作用下，易引起面層裂縫、松散等病害。另一方面，采用振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)路面進(jìn)行壓實(shí)，在雙向重力作用下，瀝青混合料內(nèi)部容易產(chǎn)生微裂縫，如果不及時(shí)處理已有裂縫，在溫度及荷載應(yīng)力雙重作用下，這些微裂縫會(huì)擴(kuò)展為宏裂縫。

三、裂縫修補(bǔ)材料

裂縫修補(bǔ)是指采用專用設(shè)備，將修補(bǔ)材料灌入裂縫中，使其與原路面結(jié)構(gòu)粘結(jié)成一個(gè)整體，共同承受車輛荷載，并起到防水作用的一項(xiàng)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)。裂縫修補(bǔ)施工工藝一般包括開槽、清縫、灌縫、養(yǎng)護(hù)及開放交通等步驟[7]。目前，用于瀝青路面裂縫修補(bǔ)的材料按施工方式大致可分為3類，即熱灌型、常溫型、貼縫型。

(一)熱灌型

熱灌型材料，顧名思義是指采用加熱方式來實(shí)現(xiàn)裂縫修補(bǔ)的修補(bǔ)材料。熱灌型修補(bǔ)材料包括(改性)瀝青、橡膠瀝青、聚合物改性瀝青等。傳統(tǒng)型的修補(bǔ)材料，如改性瀝青、橡膠瀝青等，修補(bǔ)效果較差，已不推薦作為路面裂縫修補(bǔ)的材料。加熱型密封膠是目前國內(nèi)常用的裂縫修補(bǔ)材料。

(二)常溫型

常溫修補(bǔ)材料主要包括有機(jī)硅、聚氨酯、溶劑型改性瀝青和改性乳化瀝青等。由于常溫施工修補(bǔ)材料能及時(shí)對(duì)少量初期裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，同時(shí)具有高滲透、方便、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛運(yùn)用于路面裂縫修補(bǔ)工作中。

(三)貼縫型

貼縫帶，又稱壓縫帶或填縫帶，是一種以瀝青為主要成分的寬度不等的帶狀產(chǎn)品，分為自粘型和熱粘型兩種。自粘型貼縫帶粘結(jié)力強(qiáng)，在常溫下可以對(duì)裂縫進(jìn)行直接修補(bǔ)；熱粘型貼縫帶施工時(shí)需采用液化氣噴火槍同時(shí)加熱路面裂縫和貼縫帶的粘貼面，當(dāng)瀝青混凝土路面裂縫面出現(xiàn)油點(diǎn)且貼縫帶粘貼面變得油滑時(shí)，即可粘貼在裂縫上。貼縫帶具有很高的工作效率，但貼縫帶的長期效果還有待驗(yàn)證。

四、高寒山區(qū)裂縫修補(bǔ)材料的發(fā)展趨勢

多年工程實(shí)踐證明，改性乳化瀝青由于材料的溫度敏感性大，彈性及低溫韌性差，在溫度及紫外光輻射下極易老化，進(jìn)而失去粘結(jié)性，起不到修護(hù)目的，一般不推薦用于高海拔地區(qū)裂縫修補(bǔ)。基于高寒山區(qū)特殊的氣候條件，必須采用性能更好的裂縫修補(bǔ)材料，修補(bǔ)材料的選擇對(duì)裂縫修補(bǔ)至關(guān)重要，因此在選擇適合高寒地區(qū)裂縫修補(bǔ)材料時(shí)，應(yīng)滿足下列要求:

(一)具有良好的粘結(jié)力

良好的粘結(jié)力包括修補(bǔ)材料自身的粘結(jié)力以及修補(bǔ)料與裂縫界面之間的粘結(jié)力。修補(bǔ)料本身具有較好的粘結(jié)力，可以防止修補(bǔ)料在綜合作用下產(chǎn)生開裂而影響裂縫修補(bǔ)效果。此外，填封料與裂縫界面之間應(yīng)具有較好的粘附性，在受到車輛荷載及其他外力反復(fù)作用時(shí)，修補(bǔ)材料與裂縫界面粘結(jié)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，具有很高的粘結(jié)強(qiáng)度，可以避免裂縫失效而導(dǎo)致二次開裂。

(二)低溫狀態(tài)下應(yīng)具有良好的韌性

高寒地區(qū)由于氣溫低、日溫差大，在這樣的條件下，修補(bǔ)材料容易變脆、失去韌性，在長期拉應(yīng)力應(yīng)變作用下，容易被拉裂，導(dǎo)致裂縫修補(bǔ)失效，因此，修補(bǔ)材料應(yīng)具有良好的低溫韌性。

(三)具有足夠的的彈性和延展性

修補(bǔ)材料在外力作用下，會(huì)發(fā)生彈、塑性變形，后者變形后難以復(fù)原。因此，修補(bǔ)材料應(yīng)具有足夠的彈性，使其在受拉壓應(yīng)力作用后能快速恢復(fù)到原有狀態(tài)。同時(shí)，為了使修補(bǔ)材料能夠始終與裂縫壁界面之間保持很好的密封效果，修補(bǔ)材料必須具有較好的延展性，跟隨裂縫伸縮方向而移動(dòng)。

(四)具有良好的高低溫穩(wěn)定性

修補(bǔ)材料在高溫條件下，易受熱而發(fā)生流淌，同時(shí)在車輪作用下，易被擠出裂縫而被車輪帶走，導(dǎo)致修補(bǔ)失效。因此，修補(bǔ)材料應(yīng)具有足夠的高溫穩(wěn)定性，即使是在溫度較高的情況下，修補(bǔ)料也能不變軟，保持很好的高溫穩(wěn)定性。同時(shí)，在低溫條件下，為防止修補(bǔ)材料出現(xiàn)脆裂而導(dǎo)致填封裂縫失效，修補(bǔ)材料必須具備良好的低溫變形能力。

(五)具有良好的耐老化性

高寒地區(qū)由于海拔高，紫外線輻射強(qiáng)，修補(bǔ)材料在使用過程中，長期受到溫度、紫外線、水等因素的綜合影響，容易發(fā)生老化，造成修補(bǔ)材料自身各項(xiàng)性能下降。因此，為了保證修補(bǔ)材料的耐久性，防止修補(bǔ)裂縫過早失效，修補(bǔ)材料應(yīng)具有很好的耐老化性，在其使用期內(nèi)各項(xiàng)性能指標(biāo)都能保持穩(wěn)定或發(fā)生較小變化。

五、總結(jié)

高寒地區(qū)路面裂縫的產(chǎn)生是由荷載、氣候、基層裂縫反射和施工等多方面因素造成的。裂縫修補(bǔ)作為一種重要的路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，應(yīng)引起我國道路研究者的高度重視。選擇與地域特征相適應(yīng)的修補(bǔ)材料進(jìn)行裂縫修補(bǔ)至關(guān)重要，針對(duì)高寒山區(qū)特殊的氣候特征，應(yīng)選擇粘結(jié)性、韌性、彈性、溫度穩(wěn)定性、抗老化性能優(yōu)良的修補(bǔ)材料，同時(shí)嚴(yán)格按照裂縫修補(bǔ)工藝的技術(shù)要求進(jìn)行施工，這樣才能真正解決裂縫問題，達(dá)到延長路面使用壽命的效果。