高速公路瀝青路面開裂原因分析與防控措施

高速公路建設(shè)是一個國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分,是帶動地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵因素。我們在關(guān)注高速公路建設(shè)迅猛發(fā)展的同時，也需要對公路管理與養(yǎng)護展開深入研究。若沒有對路面初期病害及時控制，將會大大縮短瀝青路面的使用壽命。瀝青路面的最主要受損形式是開裂，龐世華等[1]認為，車荷載是導致瀝青路面開裂的主要原因，并針對這一因素制定了防控措施。但這一觀點忽略了天氣、溫度變化等因素對瀝青路面產(chǎn)生的影響，使得防控效果不夠理想?；诖?，本文分析不同形式高速公路瀝青路面裂縫的開裂原因，并提出相應的防控措施，以期為實現(xiàn)對瀝青路面開裂的有效防控提供借鑒和參考。

1.高速公路瀝青路面開裂原因分析

由于行車荷載的反復作用，高速公路行車道的輪跡處常產(chǎn)生縱向裂縫，表面開裂后再受到雨雪天氣積水的影響，會造成路基含水量的變化，在超重車輛的荷載作用下，形成縱向裂縫。橫向裂縫一般產(chǎn)生于瀝青路面中線處，并與其相垂直。瀝青材料對于溫度的變化較為敏感，由于氣溫的突然升高或降低，基層所產(chǎn)生的溫度應力較大，其數(shù)值大于瀝青面層的抗拉強度時，則會導致開裂[2]。而網(wǎng)狀裂縫的產(chǎn)生與外界的影響因素無關(guān)，主要是由瀝青混凝土路面整體強度所導致。而對于高速公路的半開空隙結(jié)構(gòu)，其局部離析則較為嚴重[3]。

2.高速公路瀝青路面開裂防控措施

高速公路瀝青路面開裂防控措施，需根據(jù)措施的應用目的及應用效果來決定。在開裂防控過程中，其措施的實施要適用于高速公路等級、交通量以及基礎(chǔ)路面狀況等，并且具備經(jīng)濟效益性[4]。

2.1 抗裂機理分析

現(xiàn)行的高速公路多采用半剛性基層瀝青材料，具有較好的抗拉、抗疲勞度和水穩(wěn)特性，但在氣溫變化、車輛荷載以及路面各結(jié)構(gòu)層的相互作用下，會不可避免地產(chǎn)生細微裂紋。這些細微裂紋在外力影響下持續(xù)擴展，形成宏觀裂紋，最終形成基層裂縫?；鶎恿芽p在受到應力作用后，向瀝青面層與底基層反射，最終使瀝青面層和底基層產(chǎn)生開裂。因此，利用表征振動成型骨架密實水泥穩(wěn)定碎石基層，可增強斷裂韌度、增加裂紋擴展阻力，從而達到減緩裂紋擴展速率的目的。

應力強度因子表達式如式（1）所示：

斷裂韌度計算過程如式（2）所示：

考慮到循環(huán)載荷作用的影響，根據(jù)混凝土的損傷演化方程，得到疲勞開裂演化結(jié)果，如式（3）所示：

由此可知，裂紋長度與損傷程度及疲勞壽命皆成反比。

裂紋擴展速率計算過程如式（4）所示：

由于初始裂紋的長度與其擴展速率成正比，則損傷階段的裂紋擴展速率計算式如式（5）所示：

裂紋擴展阻力曲線的獲取過程如式（6）所示：

由此可知，裂紋擴展阻抗應力強度因子隨著裂紋擴展長度與斷裂韌度的增大而增大，三者之間的變化關(guān)系成正比。

2.2 薄層罩面材料選擇

纖維瀝青混凝土薄層罩面，是一種經(jīng)濟、有效的路面修復方式，且防水能力強。本研究選擇膠粉摻量為20%的80目橡膠粉和基質(zhì)瀝青，其施工技術(shù)指標如表1所示。

表1 橡膠瀝青的技術(shù)指標

將平整度、抗滑性能、降噪音性能、延長使用壽命性能和防水性能作為判斷指標，可以發(fā)現(xiàn)：上述設(shè)計的薄層罩面的各項應用性能均為主要效果。

3.防控措施應用效果測試

3.1 測試準備

利用ANSYS軟件模擬某高速公路建設(shè)的實際施工情況，其中，面層材料為中粒式密級配瀝青混凝土，上面層型號為AK-16A，中面層型號為AC-25I，下面層型號為AC-30I。在面層材料下部的穩(wěn)定碎石層設(shè)置裂縫，并將輪載設(shè)置為BZZ-100(0.9MPa)，溫度設(shè)計在15℃～20℃之間。設(shè)定瀝青面層頂面降溫ΔT=-10℃，其余實驗所需參數(shù)如表2所示。

3.2 測試結(jié)果分析

利用ANSYS 軟件模擬得出基層與面層內(nèi)的拉應力與剪應力分布情況，對比應用文獻1中的瀝青抹縫措施（傳統(tǒng)措施1）、文獻2中的擴展有限元分析養(yǎng)護防控措施（傳統(tǒng)措施2）和所提出措施后的應力情況，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，應用所提出的防控措施后，剪應力相比于傳統(tǒng)措施明顯減小。因此，本研究提出的措施能夠有效減小裂縫上端瀝青加鋪層底部的剪應力，且消散作用明顯。在非對稱荷載作用下，面層與基層內(nèi)的應力變化情況如圖1所示。

表2 實驗參數(shù)表

表3 不同措施底面層底部應力情況對照

圖1 實驗結(jié)果對比圖

由圖1可知，本文所提出的防護措施能夠使對應裂縫尖端區(qū)域的應力狀況得到明顯改善，與傳統(tǒng)措施相比，延緩了低面層中反射裂縫的產(chǎn)生，減小了裂縫的擴展速率。

4.結(jié)語

本文研究分析了高速公路瀝青路面開裂的主要原因，并結(jié)合纖維瀝青混凝土薄層罩面提出了新的防控措施。仿真對照實驗結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)防控方法，本文采用的方法能夠使裂縫尖端區(qū)域的應力得到明顯改善，減小了偏荷載作用下的應力值，有效控制了瀝青路面的開裂現(xiàn)象。同時，實驗結(jié)果也證實了該措施在實際應用當中的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的防控措施。