季節(jié)性凍土區(qū)瀝青路面開裂及防治措施

安培磊 林增華 閔海龍

(遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

1 概述

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提升，相應(yīng)的道路網(wǎng)建設(shè)越來越趨于完美，而在眾多的道路建設(shè)中大部分選擇了鋪設(shè)瀝青混凝土路面，然而，隨著道路使用年限的增加，越來越多的瀝青混凝土路面開裂問題變得越發(fā)嚴(yán)重。另一方面，中國地域幅員遼闊，緯度差異較大，氣候復(fù)雜多樣，凍土區(qū)分布廣泛，在全球?qū)儆诘谌齼鐾链髧?，凍土面積約占國土面積的75%，其中季節(jié)性凍土區(qū)約占凍土面積的52.6%。研究表明：季節(jié)性凍土區(qū)道路存在冬季凍脹和春季融沉的交替凍害現(xiàn)象，從而加速道路的開裂問題。地處季節(jié)性凍土區(qū)的瀝青路面受到季節(jié)性凍脹的影響，破壞現(xiàn)象更加嚴(yán)重。針對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)瀝青路面更容易出現(xiàn)裂縫的問題，廣大道路工作者[1-3]進(jìn)行了深入的研究，季節(jié)性凍土區(qū)瀝青混凝土的抗裂性問題亟待解決，為此研究季節(jié)性凍土區(qū)瀝青混凝土路面的開裂機(jī)理，進(jìn)而提出相應(yīng)的工程防治措施，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 瀝青混凝土路面的開裂機(jī)理

為了深入研究季節(jié)性凍土區(qū)瀝青混凝土路面的開裂機(jī)理，通過考察鞍山地區(qū)的瀝青路面的開裂形式，如圖1所示。針對(duì)裂縫方向，裂縫的長度和裂縫寬度的變化，綜合分析瀝青路面開裂的原因，得出了鞍山地區(qū)瀝青路面的裂縫按其成因主要包括荷載裂縫、反向裂縫和溫度裂縫，同時(shí)，三種裂縫的發(fā)展又相互促進(jìn)，進(jìn)而產(chǎn)生更嚴(yán)重的瀝青路面道路開裂問題，嚴(yán)重影響瀝青路面的道路使用年限。

2.1 荷載裂縫

在瀝青路面工作年限內(nèi)，要承受不同類型的車輛荷載，外界環(huán)境變化而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力荷載，以及各種突發(fā)事件而產(chǎn)生的偶然荷載。路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是在給定的交通量以及等效車載的要求下進(jìn)行的，隨著近年來車輛的快速增長，路面結(jié)構(gòu)所經(jīng)受的荷載增速大大超出路面設(shè)計(jì)的預(yù)期，尤其是一些超載車輛的不斷出現(xiàn)，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)所實(shí)際承受荷載產(chǎn)生的剪切應(yīng)力超過瀝青混合料各層抗剪強(qiáng)度時(shí)，瀝青路面就會(huì)產(chǎn)生開裂，該種裂縫主要以道路方向縱向發(fā)展，當(dāng)路面局部剛度較小時(shí)，進(jìn)而發(fā)展成為網(wǎng)狀裂縫，如圖1中的a)和b)所示。在鞍山地區(qū)的眾多路面裂縫中，荷載裂縫除個(gè)別經(jīng)常行駛重型車輛的道路外，其余道路路面的荷載裂縫所占的比例較少。

2.2 反向裂縫

在現(xiàn)場針對(duì)瀝青路面開裂的考查中，許多裂縫首先產(chǎn)生于路面的基層，進(jìn)而發(fā)展到瀝青混凝土面層，呈反向裂縫形式。綜合分析主要有以下原因：

1)由于道路是線性構(gòu)造物，整個(gè)道路基層存在不均勻的沉降問題，在瀝青路面產(chǎn)生切應(yīng)力，隨著不均勻沉降差的加大，進(jìn)而產(chǎn)生路面開裂，如圖1中的c)所示。

2)在已有裂縫的瀝青路面，地表水會(huì)經(jīng)過裂縫進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在動(dòng)水壓力作用下會(huì)不斷沖刷各結(jié)構(gòu)層材料，同時(shí)影響材料的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，進(jìn)而降低材料的抗剪強(qiáng)度，最終導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，以橫向裂縫居多，當(dāng)然也存在網(wǎng)狀裂縫，如圖1中b)和c)所示。在裂縫不能得到及時(shí)的處理時(shí)，就會(huì)進(jìn)一步發(fā)展成為大面積的網(wǎng)狀破壞，出現(xiàn)坑槽。

3)受路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，到一側(cè)路堤產(chǎn)生較大的沉降變形，就會(huì)相應(yīng)延伸到瀝青面層，并最終發(fā)展成瀝青面層的縱向裂縫，如圖1中a)所示。

4)在路面基層，隨著含水量的減少，會(huì)產(chǎn)生道路基層的干縮現(xiàn)象，當(dāng)干縮現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生開裂，進(jìn)而延伸到瀝青面層。

2.3 溫度裂縫

在鞍山地區(qū)，每年12月份隨著冬天溫度的降低，瀝青混合料的粘性逐漸降低，硬性增加，產(chǎn)生收縮變形，在一定程度上降低了瀝青混合料的極限抗拉強(qiáng)度，同時(shí)，在外車輛荷載的反復(fù)作用下，進(jìn)一步加速了溫度應(yīng)力疲勞，進(jìn)而產(chǎn)生溫度疲勞裂縫。在半剛性路面基層，隨著溫度的降低，會(huì)在內(nèi)部形成溫度梯度，逐步產(chǎn)生凍脹，當(dāng)?shù)叵滤^高，同時(shí)在毛細(xì)水作用下會(huì)產(chǎn)生分凝凍脹，局部位置凍脹現(xiàn)象明顯。此外，在溫度冷暖的交替作用下，會(huì)產(chǎn)生局部路面水的下滲，在基層位置聚集，更加加速了基層的凍脹問題，產(chǎn)生開裂，進(jìn)而反射到路面，出現(xiàn)反向裂縫。在嚴(yán)重路段，春季融化段的裂縫明顯大于冬季凍結(jié)起始階段，局部增加1 mm～5 mm。在每年4月份溫度開始回暖，面層和基層中的冰晶體融化，此時(shí)瀝青面層率先開始融化，下面基層仍處于凍結(jié)階段，造成局部地基承載力降低，進(jìn)而道路的凍脹融沉破壞，使得瀝青混凝土路面開裂，甚至出現(xiàn)翻漿冒泥現(xiàn)象，主要出現(xiàn)網(wǎng)狀和橫向裂縫，如圖1中的b)和c)所示。

3 瀝青混凝土路面的防治措施

為了徹底解決瀝青路面的開裂問題，相關(guān)研究領(lǐng)域的專家進(jìn)行了深入研究，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)：一方面是加強(qiáng)基層的設(shè)計(jì)，防治道路凍脹，不均勻沉降和荷載作用下的裂縫問題；另一方面是改變?yōu)r青混合料的性能，主要是通過改性瀝青，加入纖維等材料，提高瀝青混合料的低溫開裂和高溫性能。

3.1 防開裂基層

防止道路基層的開裂，主要是針對(duì)瀝青路面出現(xiàn)的荷載裂縫和溫度裂縫。在進(jìn)行道路設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)道路基層的剛性，減少不均勻沉降，防止季節(jié)性凍土區(qū)道路凍害的產(chǎn)生。對(duì)于道路基層的剛性及承載力的提高主要是增加設(shè)計(jì)的荷載指標(biāo)，進(jìn)而抵抗車輛荷載的疲勞破壞。針對(duì)道路基層的不均勻沉降，主要是道路底基層進(jìn)行相應(yīng)的地基處理等措施，在保證承載力的同時(shí)，又要保證剛度的一致性，進(jìn)而避免不均勻沉降的產(chǎn)生。對(duì)于季節(jié)性凍土區(qū)道路的凍脹問題，相關(guān)學(xué)者針對(duì)具體的問題進(jìn)行了深入研究，針對(duì)道路凍害產(chǎn)生的條件主要有隔水法和隔溫法兩個(gè)方面。張向東[4]和張樹光[5]分別就季節(jié)性的防凍脹措施和凍脹機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了具體的凍脹預(yù)報(bào)模型和防凍脹措施。郭學(xué)東等[6]研究了瀝青混凝土路面的溫度應(yīng)力和溫度裂縫問題，進(jìn)而提出了相關(guān)的防治措施。由于季節(jié)性凍土區(qū)不同的凍結(jié)問題和土質(zhì)的差異性等問題，上述研究具有一定的地域性的限制，面對(duì)鞍山的道路凍脹問題，進(jìn)行符合該地區(qū)凍脹邊界條件的凍脹研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 改性瀝青混合料

改性瀝青主要是為了改善瀝青混合料的溫度疲勞裂縫和荷載裂縫的產(chǎn)生，在瀝青混合料中加入相關(guān)的纖維材料，比如木纖維、玻璃纖維、廢棄碳纖維和聚酯纖維等，用來改善瀝青混合料的低溫開裂和高溫車轍問題，現(xiàn)在用的最多的是聚酯纖維。胡長順等[7]在2001年就對(duì)纖維加強(qiáng)瀝青混凝土進(jìn)行了相關(guān)研究，在此基礎(chǔ)上，提出了纖維瀝青混凝土設(shè)計(jì)、施工技術(shù)建議。郭乃勝[8]對(duì)聚酯纖維混合料的靜動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了研究，研究了纖維的最佳摻入量和路面性能的影響因素。近年來關(guān)于各種纖維的瀝青混凝土研究[9,10]更加深入與廣泛，取得了階段性的進(jìn)展及其工程應(yīng)用。改性瀝青的性能與所處的環(huán)境有很多的關(guān)系，為此研究區(qū)域性的改性瀝青性能具有重要意義，同時(shí)，以往的研究多為單一纖維的加入，而組合纖維的加入能更好的改善瀝青的性能，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語

1)分析了季節(jié)性凍土區(qū)瀝青混凝土路面更加容易產(chǎn)生開裂破壞的客觀事實(shí)，針對(duì)開裂的特點(diǎn)，闡述了季節(jié)性凍土區(qū)瀝青路面抗裂問題的研究意義。

2)以鞍山地區(qū)為依據(jù)，分析了季節(jié)性凍土區(qū)瀝青路面的開裂機(jī)理，按其成因分為荷載裂縫、反向裂縫和溫度裂縫，并且闡述了各種裂縫產(chǎn)生的具體原因。

3)闡述了瀝青抗裂的兩大方向，道路基層的防裂和纖維改性瀝青，提出了瀝青路面開裂區(qū)域性的特點(diǎn)，闡述組合纖維瀝青混凝土路面區(qū)域性研究的重要性和實(shí)踐意義。