瀝青路面低溫開裂問題的探討

徐 覓

(新疆道路橋梁工程總公司第一工程處)

0 引言

無接縫的連續(xù)式瀝青路面用于高等級公路建設(shè)中具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度、行車平衡、舒適、振動小、噪音低及便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)而備受重視，國內(nèi)目前所建設(shè)的高級公路中瀝青路面所占高達(dá)75%，但隨著交通量的日益增長，瀝青路面中的膠凝材料的力學(xué)性能受溫度和作用時間的影響很大，最終導(dǎo)致其在行車荷載及其他自然因素的作用下表現(xiàn)為不同形式的病害，其中低溫開裂則是病害中常見的一種，一旦發(fā)生該病害則會嚴(yán)重影響瀝青路面的路用性能的發(fā)揮，因此對低溫開裂進(jìn)行深入探討并采取措施進(jìn)行防治對延長路面使用壽命具有重要意義。

1 瀝青路面低溫開裂機(jī)理

通常認(rèn)為瀝青路面低溫開裂有兩種方式，一是由于氣溫驟降導(dǎo)致面層溫度降低，而瀝青內(nèi)層產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時則導(dǎo)致開裂。正常溫度條件下瀝青混合料具有良好的應(yīng)力松弛性能，因此當(dāng)給其一定的應(yīng)變則因此產(chǎn)生的應(yīng)力將隨時間延長而松弛，在一定溫度范圍內(nèi)因溫度降低產(chǎn)生的拉應(yīng)力會因應(yīng)力松弛而降低，因此不會導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，而當(dāng)出現(xiàn)寒流則由于過快的溫降而使瀝青面層來不及松弛所產(chǎn)生的應(yīng)力，該現(xiàn)象在面層與基層附著不好的情況下表現(xiàn)更為明顯。并且由于溫度下降，混合料的應(yīng)力松弛性能降低導(dǎo)致應(yīng)力積聚過大而產(chǎn)生裂縫。而一旦表層開裂隨著持續(xù)低溫或另一次溫降的到來，在裂縫尖端部位又會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，因此將導(dǎo)致裂縫向下延伸最終穿透整個瀝青面層。

另外一種原因是溫度疲勞裂縫，低溫裂縫的面層在氣溫回升后裂縫將彌合，到寒冷季節(jié)則又重新收縮，收縮過程中若面層與基層摩擦力小則裂縫將變寬，若摩擦力大則會產(chǎn)生新的裂縫，該現(xiàn)象是由于溫度疲勞循環(huán)導(dǎo)致，溫度的反復(fù)升降導(dǎo)致混合料的拉伸應(yīng)力變小，加上瀝青老化使其勁度增高，應(yīng)力松弛能力下降，因此可在溫度較最初一次低溫較高的溫度下也產(chǎn)生開裂，因此該種裂縫也成為溫度疲勞裂縫。

2 低溫開裂影響因素

2.1 材料因素

瀝青。溫度敏感度相同的瀝青針入度大即較稀薄的品種具有較低的勁度模量，因此其較較稠的瀝青所產(chǎn)生的裂縫較少;瀝青的溫度敏感度越低則其在低溫狀態(tài)下不易開裂，并利于瀝青路面的低溫穩(wěn)定性。

骨料。采用吸水性強(qiáng)的骨料易形成低溫裂縫，而內(nèi)摩阻力高、凍融損失低于吸水率小的集料可使路面具有更大的抗橫向開裂能力，其在低溫情況下強(qiáng)度也不會發(fā)生大的變化，因?yàn)槲实偷墓橇显诨旌狭蟽?nèi)可起到粘接作用的膠結(jié)料較非吸水性集料混合料中的膠結(jié)料少。

礦料組成。不同級配的混合料的溫度應(yīng)力正常存在較大差異，尤其是粗粒徑、空隙率大的混合料內(nèi)不孔隙較多，其應(yīng)力松弛極限溫度降低，導(dǎo)致溫度應(yīng)力減小，而中粒式較細(xì)粒式溫度應(yīng)力小，瀝青碎石或貫入式溫度應(yīng)力較瀝青混凝土小，因?yàn)r青混合料內(nèi)加入礦粉可增大粘度而易導(dǎo)致開裂。

2.2 面層厚度

采用相同的瀝青其路面厚度大的同厚度小的不易產(chǎn)生裂縫，試驗(yàn)表明當(dāng)瀝青面層厚度從10.16cm增加到25.4cm時裂縫產(chǎn)生率降低了60%，同時試驗(yàn)表明質(zhì)量好的瀝青即使面層較薄產(chǎn)生裂縫的幾率也較小，而質(zhì)量差的瀝青則即使厚度大也易產(chǎn)生裂縫;但瀝青在最佳含量范圍內(nèi)浮動時對混合料的低溫縮裂性能無影響，提高瀝青含量可增大溫度收縮系數(shù)，但會導(dǎo)致勁度降低。

2.3 環(huán)境因素

瀝青路面的性質(zhì)隨溫度和加荷時間而發(fā)生變化，即在不同的溫度和加荷方式下路面具有彈性、粘彈性和塑性的性質(zhì)，瀝青路面在低溫、短時間荷載作用下接近于彈性，隨著溫度升高而逐步接近于塑性體，而瀝青路面變形由其粘滯性所決定，同時因?yàn)r青的粘度受溫度影響非常大，隨溫度升高粘度下降，而在低溫時其又表現(xiàn)為硬脆固體。而溫降是低溫縮裂的直接原因，溫度降速越大，混合料的收縮應(yīng)變也速率也越大，材料的應(yīng)力松弛性能則越難以發(fā)揮，面層內(nèi)急劇的溫度應(yīng)力越高，則越宜發(fā)生開裂，同時即使一次溫降未產(chǎn)生開裂，但面層在低溫環(huán)境下混合料內(nèi)部也將發(fā)生微裂縫，隨著時間推移微裂縫不斷擴(kuò)展而發(fā)展為裂縫;溫度較高的環(huán)境內(nèi)隨著反復(fù)的溫度升降循環(huán)，隨產(chǎn)生不高的溫度應(yīng)力，但材料的破壞應(yīng)變將降低，同時由于材料老化因素易由于疲勞而發(fā)生開裂。

2.4 基層因素

半剛性基層的級配碎石、瀝青穩(wěn)定碎石等熱容量小，其與瀝青面層的粘接性能差，同時由于其本身收縮的影響而易生成裂縫，基層與面層的附著性差則會使面層有一定的自由收縮變形的余量，因此混合料的應(yīng)力松弛性能不能得到充分發(fā)揮，所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也無法傳遞到基層而在面層內(nèi)積聚而導(dǎo)致面層開裂;基層含水量大則干縮裂縫也大，瀝青面層的裂縫也越多;而土基對瀝青面層的開裂有較大影響，由于土基熱容量對溫縮裂縫有明顯影響，而凍脹性土的熱容量較大所以開裂現(xiàn)象較少。

2.5 路齡與交通量因素

隨路齡增加低溫開裂現(xiàn)象不斷加強(qiáng)，縫寬也不斷加大，縫距不斷縮小，主要是由于瀝青老化、勁度增加、極限拉伸應(yīng)變減小以及溫度反復(fù)作用導(dǎo)致的疲勞的結(jié)果，因此在交通量小的慢車道、路緣帶等部位均有發(fā)生，同時由于荷載的揉搓壓實(shí)，交通量大的路段內(nèi)產(chǎn)生溫縮裂縫的開始時間較早，但隨著路齡的增長和車輛荷載的反復(fù)作用將導(dǎo)致裂縫的增長加快。

3 防治措施

3.1 面層厚度

增加面層厚度可有效防止裂縫的生成，并且能減緩半剛性基層裂縫向上擴(kuò)展的速度，同時面層厚度的增加則導(dǎo)致道路彎曲剛度的增加，因此由交通荷載引發(fā)的應(yīng)力相對減少;較厚的面層可減少基層內(nèi)溫度變化，由溫度荷載誘發(fā)的罩面層內(nèi)的拉應(yīng)力也隨之減少，但面層過厚則導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)不合理以及車轍嚴(yán)重現(xiàn)象。

3.2 材料控制

由于稠油瀝青在低溫時可承受較大的拉伸應(yīng)變，并有較低的勁度模量，因此其抗裂性能高許多，因此在選擇瀝青時應(yīng)充分考慮其勁度，并以此來保證混合料的勁度，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)接近最低使用溫度時，瀝青結(jié)合料的進(jìn)度不超過200Mpa時其開裂現(xiàn)象很少。

3.3 鋪設(shè)夾層

0級配碎石層。具有一定厚度的優(yōu)質(zhì)級配碎石層在很大程度上能夠防止和減少半剛性基層反射裂縫，并且級配碎石層還具有較好的排水功能。級配碎石層具有20%～35%的空隙率可提供類似散逸運(yùn)動的方式把交通荷載與環(huán)境溫度作用所引起的半剛性基層運(yùn)動消散。

土工織物或格柵層。土工織物之類材料可發(fā)揮隔離、軟弱夾層的作用，并可增大基層內(nèi)的垂直裂縫沿界面向水平方向發(fā)展的可能性，從而延緩裂縫反射到路表的時間。

應(yīng)力吸收層。采用的中間夾層通常具有較低的彈性模量且能承受很大的應(yīng)變而不破壞，在路面結(jié)構(gòu)中它能依靠自身的塑性變形來吸收應(yīng)力而不致把很大的應(yīng)變傳遞到面層上。

3.4 施工控制

施工個過程中應(yīng)嚴(yán)格控制半剛性基層施工碾壓時的含水量，保證其不超過壓實(shí)需要的最佳含水量或控制在施工規(guī)范容許的范圍內(nèi)。半剛性基層碾壓完成后，要及時養(yǎng)生。半剛性基層碾壓完成后或最遲在養(yǎng)生結(jié)束后應(yīng)立即用乳化瀝青做透層或封層。透層或粘層完成后，應(yīng)盡快鋪筑瀝青面層。在施工過程中應(yīng)對路面充分碾壓，壓實(shí)度達(dá)98%以上，施工結(jié)束時的殘余空隙率應(yīng)小于6%，對鉆芯取樣的孔應(yīng)仔細(xì)回填以免留下缺陷;采用收縮系數(shù)小、低溫不易開裂的標(biāo)線漆;做好接縫，避免冷接縫及與排水井等人工構(gòu)造物的接頭。

3.5 設(shè)計(jì)控制

首先應(yīng)選用抗沖刷性能好、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)小、抗拉強(qiáng)度高的半剛性材料做基層。選用松弛性能好的優(yōu)質(zhì)瀝青做瀝青面層。在缺少優(yōu)質(zhì)瀝青的情況下應(yīng)采取改善瀝青性質(zhì)。在穩(wěn)定度滿足要求的前提下，優(yōu)先選用針入度較大的瀝青做瀝青面層，盡量采用密實(shí)型瀝青混凝土。采用合適的瀝青面層厚度，確保半剛性基層在使用期間一般不會產(chǎn)生干縮裂縫和溫縮裂;由于不同級配的混合料的溫度應(yīng)力增長形式有較大差異，粒徑粗的、空隙率大的混合料內(nèi)部微空隙較多，應(yīng)力松弛極限溫度降低，使溫度應(yīng)力有所減小，中粒式比細(xì)粒式的溫度應(yīng)力減小;若在瀝青混合料中加入礦粉則最終結(jié)合料的粘度比瀝青單體的粘度要大，并且粘度的溫度敏感性也大，比游離的瀝青單體本身容易開裂。

4 結(jié)語

導(dǎo)致瀝青低溫開裂的因素多樣，在分析時不應(yīng)從某個方面或因素進(jìn)行片面解釋，而應(yīng)從全方位、施工全過程進(jìn)行全面分析，才能最終防治裂縫的發(fā)生，保證真?zhèn)€路面的施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)路面的使用功能及其經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 林銹賢.柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［M］.人民交通出版社，1988.

［2］ 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］ 沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面［M］.北京:人民交通出版社，1998