舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫成因及防范措施

何 超，鄧 斌

（北京國道通公路設計研究院股份有限公司，北京市 100053）

0 引言

舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層，是一種較為常見的舊路面改建方案，加鋪瀝青面層后，能有效改善車輛行駛平順性和舒適度。其加鋪層具有造價低、施工簡便、對現有交通狀態(tài)影響較小的特點。但是相對于完全新建的瀝青混凝土路面，改建的瀝青加鋪層材料特性與舊水泥混凝土路面差異大，溫度變形差異也較大，因此，改建路面的瀝青加鋪層容易出現反射裂縫。若出現反射裂縫，面層雨水等可通過縫隙滲入至基層和路基中，從而造成路基軟化，路面承載力下降。裂縫進一步發(fā)展致使路面產生網裂、錯臺等病害，從而縮短了路面的使用壽命。本文分析了瀝青加鋪層形成反射裂縫的主要成因及發(fā)展方式，并論述了主要的防治措施延緩裂縫的出現[1-5]。

1 瀝青加鋪層反射裂縫的分類及成因

舊水泥混凝土板在溫度影響下產生收縮、翹曲變形，或在車輛荷載下混凝土面板產生了撓曲及剪切變形，混凝土板塊之間發(fā)生相對位移。在接縫位置，舊水泥混凝土路面不能很好的傳遞拉力及剪力，從而在接縫處的瀝青加鋪層出現應力集中，導致反射裂縫的產生。因溫度變化造成的裂縫為溫度反射裂縫。因車輛荷載引起的反射裂縫，則為荷載型反射裂縫。反射裂縫的形成主要分為兩個階段：瀝青加鋪層反射裂縫的初步形成；已形成的局部裂縫進一步擴展。

1.1 溫度引起的反射裂縫

溫度引起的反射裂縫主要分為兩種，一是冬季溫度突然降低導致舊路面混凝土板收縮，見圖1（a）。舊水泥混凝土板接縫張開，隨著溫度繼續(xù)下降，混凝土板塊之間的位移繼續(xù)增大，板塊收縮相當于在瀝青加鋪層底面施加了拉應力。冬季溫度較低時，因瀝青混合料應力松弛將較難適應該拉力的繼續(xù)增加，當底部拉應力大于瀝青混合料的容許應力時，瀝青加鋪層將產生裂縫。

另一種為溫度晝夜變化大時產生的裂縫，見圖1（b）。溫度升高時，舊水泥混凝土板板角向上翹曲變形，溫度下降時，混凝土板板角向下翹曲變形。在混凝土路面反復翹曲變形的情況下，瀝青加鋪層底面容易產生疲勞開裂，底面裂縫產生后，不僅在負溫度梯度下接縫處有拉應力，在正溫度梯度下縫端產生的拉應力更大。由溫度變化造成混凝土板塊變形從而導致瀝青加鋪層產生的裂縫稱為溫度疲勞裂縫。

1.2 汽車荷載引起的反射裂縫

當車輛接近舊水泥混凝土路面接縫一側時，相鄰兩混凝土板間將產生豎向的相對位移，使得瀝青加鋪層產生較大的剪力。當車輛行駛至接縫正上方時，兩側混凝土面板產生的位移相等或相差較小。由于混凝土面板在接縫處不能承擔彎拉應力，導致彎拉應力全部施加在瀝青加鋪層上。當車輛行駛過了接縫，瀝青加鋪層再承擔一次剪力。綜上所述，車輛行駛過程中，瀝青加鋪層一共承受了2次剪力和1次彎拉作用。汽車行駛過程中車輪荷載反復作用，導致了瀝青加鋪層的反射裂縫產生和發(fā)展。因此，瀝青加鋪層在汽車荷載下，主要為車輪作用在接縫兩側舊水泥混凝土板導致的剪切型反射裂縫和車輪作用在接縫上方時導致的彎拉型反射裂縫，見圖2。

圖1 溫度引起的反射裂縫

圖2 汽車荷載引起的反射裂縫

1.3 反射裂縫擴展模式

瀝青加鋪層從產生的局部裂縫發(fā)展到貫穿整幅路面，需要一個裂縫的擴展過程。該過程為裂縫在路面豎線的縱向發(fā)展，以及路面表層的橫向發(fā)展。根據斷裂力學裂縫擴展的分類，裂縫的產生分為剪切、張開、撕開模式。其中，溫度變化引起的瀝青加鋪層反射裂縫為張開模式，汽車行駛時導致的反射裂縫主要為剪切模式和張開模式，當車輪作用在接縫兩側舊水泥混凝土板時為剪切模式，當車輪作用在接縫上方時，出現的裂縫為張開模式。而斷裂力學中的撕開模式，在瀝青加鋪層中較難出現。

溫度應力對應張開模式的反射裂縫在瀝青加鋪層底部產生，然后從下向上發(fā)展到瀝青加鋪層的頂面。正荷載張開模式下的反射裂縫，也位于瀝青加鋪層底面，在荷載作用下垂直從下至上發(fā)展。偏荷載剪切模式下的反射裂縫從底面沿45°左右角度向上擴展。在汽車和溫度應力作用下，裂縫擴展路徑界于溫度應力和偏荷載之間，相對于偏荷載單獨作用時，裂縫擴展路徑更垂直。在正常情況下，裂縫一般出現在汽車輪跡處，反射裂縫的形成及發(fā)展相對緩慢。裂縫在瀝青加鋪層某個位置形成，再向兩側發(fā)展，瀝青加鋪層反射裂縫產生后，雨水滲入、氧化及車輛行駛反復作用，更加速了裂縫的發(fā)展。

2 瀝青加鋪層反射裂縫的防治措施

2.1 增加瀝青加鋪層厚度

增加瀝青加鋪層的厚度，從而提高瀝青加鋪層的承載能力，同時延長了反射裂縫從底面擴散到表層的距離，減少了接縫位置的彎沉量及彎沉差。根據斷裂力學，增加瀝青加鋪層厚度，可明顯減少接縫處的尖端應力，從而延長加鋪層的使用壽命。據以往資料表明，每增加1 cm瀝青加鋪層厚度，可降低瀝青加鋪層底面5%左右的彎沉差。但隨著厚度的增加，防治效果減弱，當厚度超過23 cm時，再繼續(xù)增加加鋪層厚度，防治效果增加不再明顯，且不經濟。

2.2 設置應力、應變吸收夾層

在瀝青加鋪層和舊水泥混凝土路面中間設置應力、應變夾層，有效地降低了接縫應力向上傳遞的強度，緩解了裂縫尖端應力，起到了加筋的作用，提高了瀝青加鋪層的抗剪及抗拉強度。主要有橡膠瀝青應力吸收夾層（SAMI）、土工格柵和土工織物夾層等。在我國常采用土工布和土工格柵，因為土工織物抗拉模量相對較高，可以緩解接縫處的應力集中，同時，土工織物的整體性和耐久性較好。設置在瀝青加鋪層下具有防滲、加筋和過濾等作用，還可提高加鋪層的抗疲勞開裂以及抵抗變形能力。從而使瀝青加鋪層質量得以改善，增加路面的使用壽命。

2.3 條帶鋪設式防治反射裂縫

條帶鋪設式防治反射裂縫即沿著混凝土板接縫布設，主要為高分子抗裂貼、高彈性應力吸收帶等。功能與應力、應變吸收夾層相似，可起到緩減裂縫縱向及橫向發(fā)展的作用?，F條帶式鋪設機械設備也逐漸成熟，解決了早期條帶式人工施工困難的缺點，并且施工簡單、操作方便、造價低，對周圍環(huán)境影響較小。

由高強織物、高強抗拉胎基、瀝青基等材料組合而成的高分子抗裂貼，其抗拉能力較強，具有良好的韌性及黏度，同時具有耐高溫、抗老化、低溫抗脆裂、耐腐蝕、抗潮濕等優(yōu)點，與舊水泥混凝土板可較好的粘結。高分子抗裂貼粘結寬度一般選擇120 mm左右，長度沿接縫或者裂縫方向鋪設。高彈性應力吸收帶則在高分子抗裂貼的基礎上進行改良而成，在緩解舊混凝土路面上加鋪瀝青面層的反射裂縫有明顯的效果。高彈性應力吸收帶是將加熱的粘彈性材料直接鋪設在接縫位置處，然后鋪設玻纖布或土工布。熱塑性的粘結材料可以滲入至接縫深處，可以在豎直的方向對舊水泥混凝土面板進行連接。

3 結語

在舊水泥混凝土路面改建中，反射裂縫為瀝青加鋪瀝青層的主要病害。因接縫處舊混凝土面板變形大，且舊路面在接縫處不能承受拉應力及剪應力，溫度變化時，引起混凝土板變形導致加鋪層底面產生拉應力和剪應力，并且汽車荷載反復作用加速了反射裂縫的擴展。針對瀝青加鋪層反射裂縫的特點，路面設計、施工時合理選擇防范措施，可有效延緩反射裂縫的出現，延長瀝青加鋪層的使用壽命。