瀝青面層下舊水泥路面裂縫的產(chǎn)生原因及處理

郭梅登

（東莞市致高建設(shè)工程有限公司，廣東 東莞 523072）

1 工程案例

1.1 工程概況

該工程為蓬江區(qū)北環(huán)路的改建工程，路線全長約3288.26m。其中主線長度為2564.49m，規(guī)劃寬度為80m；至潮連大橋分為左右匝道，長度分別為353.78m、369.99m，規(guī)劃寬度為20m。采用城市主干路標(biāo)準(zhǔn)，主線設(shè)計行車速度為60km／h，匝道設(shè)計行車速度為30km／h。由甲方提供的舊路檢測報告來看，舊路面開裂、斷板的數(shù)量占12%，板底脫空量占2.1%，接縫傳荷能力評定在次級以下的占35%，根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范規(guī)定，路面損壞狀況為次級。

1.2 改造方案

檢測發(fā)現(xiàn)部分路段損壞情況比較嚴(yán)重，甚至存在大面積脫空現(xiàn)象，原路面地基較薄，簡單的面層加固補(bǔ)強(qiáng)并鋪設(shè)瀝青層成本較高且短期內(nèi)容易出現(xiàn)病害，并不適用于該項改造工程，因此選擇采用打裂技術(shù)處理水泥混凝土路面，以此作為基層鋪設(shè)瀝青面層。對舊混凝土打裂后應(yīng)使75%以上的舊水泥混凝土板發(fā)生不規(guī)則開裂，然后鋪設(shè)水泥穩(wěn)定層，最后鋪設(shè)瀝青層。

2 瀝青加鋪層下水泥路面裂縫成因分析

2.1 裂縫產(chǎn)生機(jī)理

瀝青加鋪層下產(chǎn)生的反射裂縫主要是由于水泥混凝土層存在的裂縫和接縫在使用過程中由于溫度和濕度的影響或車輛荷載作用反射到瀝青面層產(chǎn)生的裂縫。由溫度影響產(chǎn)生的裂縫又被稱為溫度反射裂縫，由車輛荷載引起的裂縫稱為荷載反射裂縫。反射裂縫的形成主要包括兩個階段：反射裂縫初步形成階段和局部裂縫擴(kuò)展階段。

2.2 裂縫產(chǎn)生的原因

裂縫產(chǎn)生的原因主要包括以下幾個方面：

1）溫度引起的裂縫

溫度產(chǎn)生的裂縫主要包括兩種，一種是由于晝夜溫差過大引起的路面開裂，當(dāng)白天溫度較高時，舊水泥路面板角發(fā)生上翹變形，夜晚溫度較低時，路板板角下翹變形，經(jīng)過較長時間的反復(fù)形變，舊水泥混凝土路面產(chǎn)生疲勞，強(qiáng)度和耐久性大大降低，無法滿足日常荷載，從而發(fā)生開裂。底面裂縫在負(fù)的溫度梯度下有一定的拉應(yīng)力，在正的溫度梯度下，拉應(yīng)力會進(jìn)一步增大，從而導(dǎo)致瀝青層產(chǎn)生裂縫，這種由于溫度反復(fù)變化造成水泥混凝土板塊疲勞導(dǎo)致的瀝青層開裂的現(xiàn)象被稱為溫度疲勞裂縫；另一種是由于冬季溫度驟降導(dǎo)致舊水泥混凝土路面整體收縮，板塊接縫處間距增大，對上層瀝青部分產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，而由于冬季氣溫較低，瀝青塑性降低，抗變形能力的增強(qiáng)導(dǎo)致應(yīng)力不斷增大，當(dāng)聚集應(yīng)力超過瀝青路面的抗變形能力時就會產(chǎn)生裂縫。

2）車輛荷載引起的裂縫

當(dāng)行駛車輛經(jīng)過舊水泥混凝土路面接縫時會對瀝青路面層施加一次彎拉作用和兩次方向相反的剪應(yīng)力作用，具體過程為：當(dāng)車輛行駛至接縫一端的路面時，這端板塊邊緣受到車輪的壓應(yīng)力作用發(fā)生輕微下沉，而接縫另一端保持不動，使得接縫兩端的水泥混凝土板塊之間產(chǎn)生一個高度差，這就導(dǎo)致瀝青加鋪層在水泥板塊接縫位置產(chǎn)生一次剪應(yīng)力；當(dāng)車輪行駛至接縫中間時，瀝青路面在接縫處受到一個彎拉作用；當(dāng)車輪駛過接縫到達(dá)裂縫時又會產(chǎn)生一次上述剪應(yīng)力。車輛的反復(fù)荷載作用在接縫位置，導(dǎo)致接縫處瀝青層不斷受到不同的作用力，在長期使用下就會發(fā)生應(yīng)力疲勞從而產(chǎn)生荷載裂縫。

3）反射裂縫的擴(kuò)展

反射裂縫形成的第二個階段為裂縫擴(kuò)展階段，這一階段的發(fā)展大體上分為縱向發(fā)展和橫向發(fā)展，裂縫橫向發(fā)展最終發(fā)展為貫穿道路橫向裂縫，縱向發(fā)展則是沿道路拉長。根據(jù)斷裂力學(xué)的裂縫擴(kuò)展分析，其擴(kuò)展行為主要分為剪切、張開和撕開三種模式，在路面裂縫擴(kuò)展中剪切模式和張開模式較為常見，車輛在行駛過程中車輪接觸裂縫兩端的舊水泥混凝土板時產(chǎn)生剪切作用，裂縫擴(kuò)展表現(xiàn)為剪切模式，當(dāng)車輪位于接縫上方時，裂縫擴(kuò)展表現(xiàn)為張開模式。撕開模式在瀝青加鋪層中不易出現(xiàn)。

溫度作用下產(chǎn)生的反射裂縫在瀝青層的下部首先生成，在張開模式擴(kuò)展過程中由下向上進(jìn)行擴(kuò)展，直至頂層裂縫出現(xiàn)。由于車輛正荷載產(chǎn)生的裂縫在張開模式擴(kuò)展過程中也由下至上擴(kuò)展，偏荷載產(chǎn)生的裂縫是由底部沿45度角的方向斜向上擴(kuò)展形成的。在實(shí)際擴(kuò)展過程中，由于同時收到溫度作用和偏荷載的作用，裂縫擴(kuò)展既不是沿垂直方向擴(kuò)展也不是沿45度角斜向上擴(kuò)展，而是沿介于二者之間的角度由下至上逐漸擴(kuò)展，相對于偏荷載的單獨(dú)作用，實(shí)際擴(kuò)展方向更垂直。反射裂縫的形成和發(fā)展在正常情況下是十分緩慢的，一般產(chǎn)生于汽車車輪軌跡處，而由于裂縫初步產(chǎn)生后，雨水的侵入和裂縫斷面的氧化導(dǎo)致瀝青路面強(qiáng)度降低，從而提高了反射裂縫的發(fā)展速度。

3 瀝青加鋪層下舊水泥路面裂縫防治措施

3.1 增加瀝青加鋪層厚度

增加瀝青層厚度，一方面使瀝青混凝土層的荷載能力有所提高，增加了瀝青層在舊水泥路面接縫處的抗變形能力，減少彎沉量；另一方面直接延長了裂縫由下至上的擴(kuò)展路徑，使裂縫產(chǎn)生時間有所增加。從斷裂力學(xué)上來講，瀝青加鋪層厚度的提高可以明顯降低接縫處的應(yīng)力集中，大大提高耐久度。根據(jù)資料表明，厚度升高1cm，瀝青層彎沉差將會降低5%，但隨著厚度增加，效果逐漸減弱，當(dāng)厚度過大時，效果提升非常有限并且會造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求選擇合適的瀝青面層厚度。

3.2 設(shè)置應(yīng)力、應(yīng)變吸收夾層

在瀝青混凝土層和舊水泥混凝土層間加設(shè)一層應(yīng)力、應(yīng)變吸收夾層可以對路面起到增韌補(bǔ)強(qiáng)的效果。當(dāng)接縫處荷載發(fā)生變化時，由于應(yīng)力應(yīng)變吸收層的存在，作用在瀝青面層的剪應(yīng)力和彎拉作用力會明顯降低，從而減緩了瀝青產(chǎn)生疲勞，從而增強(qiáng)其耐久性。工程上常用的應(yīng)力應(yīng)變層主要有橡膠瀝青應(yīng)力吸收夾層（SAMI）、土工格柵和土工織物夾層等，土工格柵和土工織物夾層的抗拉性能較好，對于緩解水泥混凝土接縫處的應(yīng)力集中有很好的緩解作用，因此在我國相關(guān)工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。此外，設(shè)置應(yīng)力應(yīng)變吸收層還具有防滲透的作用，可以有效阻斷雨水下滲避免發(fā)生侵蝕，改善瀝青層施工質(zhì)量，提高使用壽命。

3.3 條帶鋪設(shè)式防治反射裂縫

條帶鋪設(shè)式防治是指沿混凝土板塊接縫處布置條帶，常采用高分子抗裂貼、高彈性應(yīng)力吸收帶等，其防治機(jī)理與設(shè)置應(yīng)力應(yīng)變吸收夾層相似，主要是對接縫處產(chǎn)生的應(yīng)變起到緩解作用，此外還起到阻斷雨水下漏的作用，有效阻礙裂縫的橫向發(fā)展和縱向發(fā)展。條帶鋪設(shè)式防治反射裂縫技術(shù)近年來也有所發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的人工施工，機(jī)械施工更加簡單快捷，并且具有造價低、操作方便、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。

條帶鋪設(shè)式防治中用的的高分子抗裂貼是由高強(qiáng)織物、高強(qiáng)抗拉胎基和瀝青材料等組合成的復(fù)合材料，具有抗拉性能好、韌性高、粘度大等優(yōu)點(diǎn)，可滿足工程需要，此外還由耐高溫、抗氧化、抗腐蝕、抗潮濕、低溫韌性好等特點(diǎn)，可以與水泥混凝土路面很好地粘結(jié)。混凝土路面裂縫防治中常用的高分子抗裂貼的粘結(jié)寬度為120mm，沿裂縫方向鋪設(shè)，使其緊密粘結(jié)在裂縫兩端。高彈性應(yīng)力吸收帶由高分子抗裂帶的概論而成，將加熱的粘性材料鋪設(shè)在裂縫處，并鋪設(shè)玻纖布或土工布以增強(qiáng)其抗拉強(qiáng)度，同時熱塑性材料在加熱狀態(tài)下流入裂縫，對舊水泥路面板起到良好的粘結(jié)作用。

3.4 破碎舊水泥混凝土路面

該工程中路面損壞較為嚴(yán)重，采用破碎舊水泥混凝土路面的方法防止反射裂縫產(chǎn)生。將舊水泥路面進(jìn)行破碎，大的水泥路面板破碎成面積較小的板塊作為瀝青鋪設(shè)層的基礎(chǔ)，使應(yīng)變分散開，以消減應(yīng)力。破碎后的面板間縫隙不宜過大，否則在車輛經(jīng)過時會發(fā)生應(yīng)力集中，對路面產(chǎn)生不良影響。通過測試不同路面破碎程度對同樣荷載下瀝青路面的影響發(fā)現(xiàn)，隨著破碎后舊水泥混凝土路面板尺寸降低，對瀝青面層的荷載影響不大，只有小幅減小，但對溫度應(yīng)力影響較大，隨著舊路面板尺寸降低，溫度應(yīng)力下降速度明顯。在舊路面板尺寸與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的測試中發(fā)現(xiàn)，隨著面板尺寸的降低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度呈下降趨勢。因此，在實(shí)際施工中應(yīng)綜合考慮面板面積減小對應(yīng)力降低和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低的影響，選擇合適的破碎尺寸，以使裂縫防治效果達(dá)到最好。

3.5 設(shè)置裂縫緩解層

大粒徑透水性瀝青混合料是一種新型瀝青混合材料，通常由大粒徑集料作為骨架，細(xì)集料填充而成的骨架型瀝青混合材料，經(jīng)過合理設(shè)計后，使該種材料中的大粒徑骨料具有單一粒徑，使用少量細(xì)集料填充空隙，在保證排水性良好的前提下有效降低孔隙率，使這種大粒徑透水性瀝青混合料具有良好的排水性和較高的彈性模量，可以承受較高的荷載。使瀝青路面的高溫穩(wěn)定性有所提升，尤其是對于低速較重的車輛行駛時有較好的抗變形能力。

4 結(jié)語

隨著交通量的增長，道路壓力逐漸增大，受到溫度作用和車輛荷載的壓力，舊的水泥混凝土路段在長期運(yùn)行過程中難免會產(chǎn)生各種病害，對舊水泥路面進(jìn)行修補(bǔ)，并鋪設(shè)瀝青層是當(dāng)下常用的道路改造方式，處理不當(dāng)就會引起道路在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)裂縫。要完全消除反射裂縫是不經(jīng)濟(jì)的也是不現(xiàn)實(shí)的，因此只能延緩裂的生產(chǎn)和擴(kuò)展，盡可能地延長道路的使用壽命。采用設(shè)置裂縫緩解層、破碎舊水泥混凝土路面、采用條帶鋪設(shè)式防治反射裂縫、設(shè)置應(yīng)力應(yīng)變吸收夾層和增加瀝青加鋪層厚度等都是有效的防治路面裂縫產(chǎn)生的有效舉措，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和施工需要選擇合適的防治方法，延長路面的使用壽命。