半剛性基層反射裂縫的成因及典型處置方法

王曦光

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015)

1 反射裂縫產(chǎn)生的主要成因

目前，半剛性基層以能夠提高的基層強(qiáng)度，減少瀝青混合料面層厚度等優(yōu)點，在我國公路建設(shè)尤其是高速公路建設(shè)上得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于半剛性基層在溫度和濕度發(fā)生較大變化時，會產(chǎn)生溫縮裂縫和干縮裂縫，產(chǎn)生的這些裂縫在車輛荷載和路面溫度的耦合作用下，會使裂縫附近的瀝青混凝土層產(chǎn)生較大的應(yīng)變，最終將瀝青混凝土層的底部拉開形成裂縫，然后擴(kuò)展到路表面，這就是我們所說的反射裂縫。通過對已建成高速公路的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)我國高速公路的反射裂縫一般在建成后一到兩年出現(xiàn)，并且反射裂縫在我國高速公路上是一種普遍存在的現(xiàn)象。反射裂縫的出現(xiàn)不僅降低了路面的強(qiáng)度，而且使水更容易進(jìn)入路面以及路基內(nèi)部，使路面出現(xiàn)脫空、坑槽等一系列病害，降低了高速公路的長期使用性能。

2 反射裂縫預(yù)防和處置技術(shù)

目前，我國預(yù)防和處置半剛性基層反射裂縫主要有兩類方法，一類是在基層和面層之間設(shè)置一個夾層，通過夾層來分散反射裂縫的應(yīng)力，從而控制反射裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展；另一類是在瀝青混凝土面層中摻入聚酯纖維等材料，通過提高面層抗拉強(qiáng)度來達(dá)到控制反射裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展的目的。

基層和面層之間設(shè)置的夾層系統(tǒng)還可以分為兩類：一類是設(shè)置加筋層，另一類是設(shè)置應(yīng)力吸收層。利用加筋層處理反射裂縫的基本原理是其能提供足夠的抗拉強(qiáng)度，抑制裂紋周圍產(chǎn)生的應(yīng)力，使應(yīng)變有效擴(kuò)散，從而有助于降低瀝青路面底部產(chǎn)生的拉應(yīng)力，防止裂縫的產(chǎn)生。利用應(yīng)力吸收層處理反射裂縫的基本原理是其能承受較大的變形，防止裂紋尖端繼續(xù)擴(kuò)展，降低集中應(yīng)力，從而防止裂縫的產(chǎn)生。

通過在瀝青混凝土中摻入聚酯纖維等材料，來提高瀝青混凝土的抗裂性能，從而達(dá)到延緩裂縫出現(xiàn)和減少裂縫數(shù)量的目的。通過室內(nèi)試驗表明，與不摻聚酯纖維的瀝青混合料相比，摻入聚酯纖維的瀝青混合料的破壞拉應(yīng)變明顯增大。

下面對我們常用的幾種夾層系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹，代表的幾種處置方式為：橡膠瀝青應(yīng)力吸收層、級配碎石以及鋪設(shè)土工合成材料。

(1)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層

橡膠瀝青應(yīng)力吸收層對防止反射裂縫具有良好的效果?，F(xiàn)場試驗表明，與不使用該技術(shù)的路段相比，路面裂縫率可降低1/10～1/4。但是該技術(shù)對瀝青路面的厚度非常敏感，當(dāng)瀝青層厚度小于5cm時，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層容易發(fā)生破壞，從而失去作用。另外，由于橡膠瀝青應(yīng)力吸收層需要在較高溫度下完成攤鋪和碾壓，一旦施工質(zhì)量不能得到很好的控制，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層反而會成為道路結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

(2)級配碎石采用具有一定級配的碎石鋪筑于面層和基層之間。當(dāng)級配碎石結(jié)構(gòu)層開始發(fā)生塑性變形時，其承載力將顯著提高，并能承受較大的變形。特別是當(dāng)其底部出現(xiàn)裂縫時，集料在荷載作用下可自動進(jìn)行位置調(diào)整，使級配集料中的應(yīng)力重新分布，這不但不會使裂縫進(jìn)一步發(fā)展還會使部分裂縫在一定程度上閉合。這意味著當(dāng)級配碎石結(jié)構(gòu)層受到裂縫作用時，它具有自愈特性。理論上，當(dāng)級配碎石結(jié)構(gòu)厚度達(dá)到15cm時，瀝青路面底部的應(yīng)力可以降低36%～63%。

粗粒式瀝青碎石在變形能力、吸收應(yīng)變能、降低集中應(yīng)力等方面與級配碎石相似。此外，粗粒式瀝青碎石的大空隙率(15%～20%)可進(jìn)一步防止裂縫尖端的發(fā)展路徑。粗粒式瀝青碎石同時具有隔離作用，能夠改善基層的溫度狀態(tài)，減少半剛性基層的溫縮。研究表明，與普通瀝青混凝土相比，粗粒式瀝青碎石中的應(yīng)力可降低20%～30%。

以上兩項技術(shù)的主要問題是會增加道路的厚度和修建費(fèi)用，如果施工過程質(zhì)量控制得不好，還可能會發(fā)生離析的情況。

(3)土工合成材料

土工合成材料是我國常用的防止和延緩反射裂縫的方法。在這里也要著重介紹一下。根據(jù)土工合成材料的不同特點，土工合成材料可分為土工格柵和土工布兩種。前者具有剛性高、模量大、延伸率低、蠕變小、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、聯(lián)鎖作用強(qiáng)等特點。后者用作柔性應(yīng)力吸收膜，能吸收裂紋尖端集中應(yīng)力，防止裂紋繼續(xù)發(fā)展。此外，當(dāng)土工布在粘層或透層瀝青層上施工時，會形成不透水層，從而防止水對路基的不良影響。

土工格柵是一種應(yīng)用較為廣泛的土工合成材料，主要代表材料是玻璃纖維格柵。玻璃纖維網(wǎng)格可以均勻地傳遞荷載，從而使裂紋應(yīng)力方向由垂直向水平轉(zhuǎn)化。為了驗證格柵的實際性能，通過彎曲試驗，對同一材料、同一級配、不同配筋方式的格柵瀝青混凝土的彎曲破壞特性進(jìn)行了試驗研究。從彎曲破壞過程的差異和裂縫尖端承載狀態(tài)的變化，揭示了格柵加筋瀝青混凝土裂縫擴(kuò)展控制的原因。試驗所用網(wǎng)格為CE131(中國制造)和土工格柵(進(jìn)口)，如圖1所示。彎曲試驗試件為50mm×50mm×250mm立方體試件。表1為試驗中不同溫度下的測試結(jié)果，圖2為試驗中格柵位置編號。

從表1的數(shù)據(jù)來看，同一試驗溫度條件下，無格柵的試樣和在不同位置添加格柵的試樣其彎曲強(qiáng)度無明顯變化，說明土工格柵不能明顯提高試樣的彎曲破壞強(qiáng)度。但是從某一固定溫度下(以-20℃為例)的彎曲破壞圖(圖3)來看，不同配筋方式的格柵混凝土的破壞過程是不同的。在該溫度下，試樣隨著載荷的不斷增加，其變形量逐漸增大，在達(dá)到破壞載荷作用時，試樣底部會出現(xiàn)裂紋，此時，沒添加格柵的混凝土試樣會立即斷裂(圖2中0號曲線)，而添加了格柵的混凝土試樣(圖2中Ⅰ、Ⅱ、BⅡ號曲線)，雖然在荷載作用下也出現(xiàn)了裂縫，使荷載下降，但是沒有立即斷裂，變形均出現(xiàn)了不同程度的增長，這是因為添加了格柵延緩了裂縫的發(fā)展速度。格柵所提供的抗拉強(qiáng)度越強(qiáng)，試件斷裂時發(fā)生的變形就越大。其他溫度條件下的試驗，均表現(xiàn)出與該溫度相同的變化規(guī)律。從而證明格柵能夠有效延緩裂縫發(fā)展的速度，并且格柵抗拉強(qiáng)度越高其防止反射裂縫的效果就越好。

圖1 試驗土工格柵形狀

試樣編號試驗溫度(℃)-20-1008192535RE(MPa)7.8257.2345.9044.9624.5981.4110.4710εE(×10-3mm)1.4371.5772.3703.3789.18210.0489.514SE(MPa)577353072593139055714774RE(MPa)8.0767.8856.9945.0424.4081.8770.490Ⅰ(CE131)εE(×10-3mm)1.3201.5832.4473.3657.05210.219.725SE(MPa)611750622648136366018351RE(MPa)8.2517.5007.0074.8194.3572.2230.706Ⅱ(CE131)εE(×10-3mm)1.4371.6522.3863.4889.37310.25910.501SE(MPa)569247823102138246521667RE(MPa)8.4427.8806.7044.8905.3052.8570.910BⅡ(進(jìn)口)εE(×10-3mm)1.3361.7332.2293.4077.9989.9708.464SE(MPa)5801409327731435648286113

注：RE(MPa)試件破壞時彎拉強(qiáng)度，εE(×10-3mm)試件破壞時最大彎拉應(yīng)變，SE(MPa)試件破壞時彎曲勁度模量

圖2 試樣中格柵的位置

圖3 試樣彎曲破壞圖

在某高速公路的一段試驗路上采用了山東制造的一種土工格柵進(jìn)行現(xiàn)場試驗，1年后通過有格柵道路和無格柵道路的性能對比來看，有格柵道路的裂縫數(shù)量比未經(jīng)處理的路面少得多。同時通過施工經(jīng)驗證明，如果基層裂縫垂直變形過大，那么將會影響土工格柵控制反射裂縫的能力，甚至使土工格柵失效。

3 總結(jié)

以上是防止和處理反射裂縫的幾種常用處理方法。不管采用何種方法，當(dāng)反射裂縫太寬、太深時，必須采用灌縫等措施進(jìn)行處理，否則都會使處理手段失敗。另一方面，當(dāng)基層變形較大或基層強(qiáng)度不夠時，也必須采用相應(yīng)的手段來提高基層強(qiáng)度，以保證處理反射裂縫的手段能夠發(fā)揮其應(yīng)有的效果。采用應(yīng)力吸收層技術(shù)時，現(xiàn)場應(yīng)做好施工控制，保證溫度、碾壓等完全按設(shè)計要求進(jìn)行，以確保使用效果。