高速公路瀝青路面開裂機理及基于薄層罩面的對策分析

李蘭波

（邢臺市公路工程管理中心，河北 邢臺 054000）

0 引言

瀝青路面在我國高速公路路面中占據(jù)了九成之多，受多種不可控因素影響，瀝青路面出現(xiàn)病害現(xiàn)象難以避免。因此，要求相關(guān)工作人員及時勘查路面病害發(fā)生情況并及時采取針對性的措施進行控制，以免造成更大的危害，影響行車安全，增加維修費用。

裂縫是瀝青路面的主要病害形式，既有縱向、橫向或網(wǎng)狀裂縫，也有荷載裂縫、溫度裂縫或反射裂縫等。龐世華等[1]指出瀝青路面之所以出現(xiàn)裂縫，其根本原因在于行車荷載的作用，并據(jù)此開展了相關(guān)的裂縫防治。但該理論未考慮氣候、溫濕度等環(huán)境條件的作用，因此防治效果提升程度有限。本文在前人所述的研究成果基礎(chǔ)上，進一步分析瀝青路面的開裂機理，提出一種基于薄層罩面的防治對策，并與相關(guān)研究方法開展實施效果比對，驗證了所提理論方法的有效性與可靠性。

1 高速公路瀝青路面開裂機理

高速公路瀝青路面的典型病害很多，而開裂是一種較為普遍的現(xiàn)象。在通行車輛的壓力作用下，輪胎位置往往會出現(xiàn)細(xì)微的縱向縫，雨水滲透進去后會導(dǎo)致路基含水量的改變，繼而在車載往復(fù)下，形成較為明顯的縱向裂縫。而橫向裂縫一般垂直于行車方向，其產(chǎn)生機理一般是受環(huán)境條件的變化，使瀝青基層出現(xiàn)一定的溫度應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過瀝青路面的抗拉強度時，即引起路面裂縫[2]。網(wǎng)狀裂縫的產(chǎn)生與瀝青路面的整體強度有關(guān)，且受環(huán)境條件的干擾程度較輕。早年間高速公路在修建時多采用輕質(zhì)的酸性石料，導(dǎo)致瀝青與石料黏附性差，且瀝青材料十分容易老化，使其性能衰減嚴(yán)重，易出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫。

在高速公路的病害形式方面，坑槽是局部受擠壓而形成凹坑，屬于特殊形式的開裂。其原因有：受到高溫及雨雪天氣的影響，瀝青老化速度加快，則會形成坑槽。受到車輪動態(tài)荷載的影響，高速路面的空隙當(dāng)中所產(chǎn)生的動水壓力使水分滲入，導(dǎo)致水損性坑槽的形成。此外，在施工過程中混凝土的溫度調(diào)控過高，則會使瀝青材料在加熱時迅速老化，降低材料黏結(jié)力，在車輛載荷的作用下形成坑槽；若溫度調(diào)控過低，則會導(dǎo)致壓實效果較差而形成坑槽[3-4]。本文在上述裂縫機理分析的基礎(chǔ)上，提出對策措施。

2 高速公路瀝青路面開裂防治對策

由上述分析可知，受高速公路所處環(huán)境、氣候、溫度等條件的影響，瀝青路面裂縫的形成原因也各不相同。為此，需要結(jié)合高速公路路面的實際情況，選擇合適的防控對策。

基于高速公路常規(guī)的裂縫防治手段，如封縫、霧封層、稀漿封層、微表處以及超薄抗滑層等，再綜合選取一定的評價指標(biāo)，用以衡量措施的應(yīng)用效果，實際中可選擇的指標(biāo)既包括平順度、防滑性、吸聲性、服役年限以及防水性等。各種對策的應(yīng)用效果分析見表1。

在選擇瀝青路面開裂防治對策時，除考慮建設(shè)等級、通行量以及當(dāng)前路面現(xiàn)狀等因素外，還應(yīng)當(dāng)考慮措施費用以及使用效果的配套層面。因此，實踐中在針對同一開裂狀況時，可能會存在多種可用的防控措施[5]，此時需選擇其中成本最低的對策方案。

2.1 抗裂機理分析

高速公路的瀝青路面一般設(shè)計為由無機結(jié)合料與細(xì)集料、骨料等與水混合而成的半剛性基層。該形式構(gòu)造的基層雖然有一定的抗疲勞、抗拉性能，但受氣候、車載及結(jié)構(gòu)層自作用等影響，仍會發(fā)生細(xì)微裂紋，并逐步擴大成為貫穿整個基層厚度的裂縫，同時該基層處裂縫會反射至底基層與面層，從而引起路面反射裂縫。為提高基層抗裂性能，延緩裂縫發(fā)展，可引入應(yīng)力強度因子，有效判斷水泥穩(wěn)定碎石基層的斷裂韌度，繼而采取裂紋增阻措施。

其中，應(yīng)力強度因子表達(dá)式如下：

式（1）中：k為應(yīng)力強度因子；σ為應(yīng)力；q為裂紋長度；W為相關(guān)函數(shù)。

斷裂韌度計算過程如下：

式（2）中：z為斷裂韌度；l為厚度。

在循環(huán)載荷條件下，按照混凝土損傷演化方程，計算出疲勞開裂演化結(jié)果：

式（3）中：S為損傷度；R為循環(huán)荷載作用次數(shù)；u為材料參數(shù)。

通過上述計算得知，裂紋長度與損傷程度及疲勞壽命均為負(fù)相關(guān)。裂紋擴展速率為：

式（4）中：Δc為應(yīng)力強度因子增量。對其積分后可得到：

式（5）中：qi為裂紋擴展長度；q0為初始裂紋長度；Ri為裂紋擴展長度對應(yīng)的載荷循環(huán)次數(shù)；R0為初始裂紋長度對應(yīng)的載荷循環(huán)次數(shù)。

由上述計算可知，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：

式（6）中：W為能量釋放率；Hf為應(yīng)變能；b為體積。

裂紋擴展阻力曲線的獲取過程如下：

式（7）中：A為阻抗應(yīng)力強度因子；β為材料常數(shù)；Δq為裂紋擴展的距離。

由式（7）可知，當(dāng)裂紋擴展長度與斷裂韌度變大時，阻抗應(yīng)力強度因子也逐漸上升，表明三者為正相關(guān)關(guān)系。

2.2 薄層罩面材料選擇

因此，在上述計算分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，本研究利用纖維瀝青混凝土薄層罩面設(shè)計相關(guān)路面開裂防控措施。作為一種費用較低、實施效果較為可靠的路面裂縫防治手段，薄層罩面工藝中應(yīng)選擇合適的橡膠瀝青混凝土，并在其中添加一定量的礦物纖維，以提高防水能力。

配制橡膠瀝青混凝土?xí)r，橡膠粉宜為80目，摻量取為20%；基質(zhì)瀝青選取SK 90#，相關(guān)的性能參數(shù)見表2。

表2 橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)

按照混合料的類型選擇合適的集料，并滿足相關(guān)規(guī)范中的質(zhì)量要求，內(nèi)容如表3所示。

受橡膠瀝青自身特性的影響，若放置時間過長，則橡膠可能存在離析。因此，橡膠瀝青混凝土不適合提前生產(chǎn)，且橡膠瀝青容易受到溫度影響，具有一定黏度，在施工時需要經(jīng)常清洗輸送管線，以免發(fā)生堵塞現(xiàn)象。為此，纖維橡膠瀝青混合料配比完成后所存放時間不宜超過10h，存放溫度不應(yīng)超過10℃。至此，完成高速公路瀝青路面開裂原因分析，并利用纖維瀝青混凝土薄層罩面設(shè)計了相關(guān)的路面開裂防控措施。

3 防治對策實施效果測試

3.1 測試準(zhǔn)備

以某高速公路區(qū)間的實際建設(shè)項目為案例，基于ANSYS 軟件，搭建如圖1 所示的道路基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。采用萬能試驗機模擬行車荷載。

圖1 道路模擬結(jié)構(gòu)搭建

在模擬時，設(shè)定瀝青面層頂面降溫10℃，行車荷載取0.7MPa，現(xiàn)場溫度約為18℃，相關(guān)模擬分析指標(biāo)見表4。

在基層中有反射裂縫且荷載僅作用在一側(cè)以及非對稱荷載的情況下，分別將本文提出措施的防控效果與文獻[1]和文獻[2]兩種傳統(tǒng)措施的防控效果開展對比分析。

3.2 測試結(jié)果分析

在上述參數(shù)設(shè)置完成后，對比三種方案實施后的剪應(yīng)力與拉應(yīng)力，見表5。其中，方案1、方案2 分別對應(yīng)文獻[1]和文獻[2]。

由表5結(jié)果可知，當(dāng)荷載作用于裂縫的一側(cè)時，兩種傳統(tǒng)的防控措施雖然能夠?qū)?yīng)力值控制在一定范圍內(nèi)，但仍有優(yōu)化的空間；應(yīng)用本文防控方案后，與方案1 相比剪應(yīng)力減少85.4%。由此可見，對于路面基層底部的剪應(yīng)力，本文方案具備顯著的應(yīng)力消散功能。

表5 不同措施底面層底部應(yīng)力情況對照

4 結(jié)語

本文針對高速公路瀝青路面典型病害中的開裂現(xiàn)象，在前人研究的基礎(chǔ)上，進一步分析了瀝青路面的開裂機理，引入?yún)?shù)應(yīng)力強度因子，通過計算闡明相關(guān)影響因素的變化關(guān)系，確定改進方案的關(guān)注重點，繼而針對性地提出了基于橡膠瀝青混凝土薄層罩面工藝的裂縫防治對策。在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS 有限元分析軟件，根據(jù)實際案例情況合理設(shè)定模擬參數(shù)，對比文獻中的相關(guān)方案，驗證了本文所述防治對策的可靠性與有效性，可為此類高速公路瀝青路面的防治對策研究制定提供參考。