低等級(jí)公路瀝青路面加鋪瀝青防裂研究

衣松杰，杜武剛，張 剛，王 剛，寇景宇，陽(yáng) 祿，王小兵，王 林

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

1 工程概況

銅仁市江口縣凱德至黑巖坪公路路面改善提升工程位于貴州省銅仁市江口縣境內(nèi)，工程起點(diǎn)位于江口縣凱市村凱德坊，起點(diǎn)樁號(hào)K0+000=管養(yǎng)樁號(hào)K0+000，整體向西南方向延伸，途經(jīng)傅家、辣子垱，終點(diǎn)為黑巖坪村，終點(diǎn)樁號(hào)K7+564=管養(yǎng)樁號(hào)K7+565，路線全長(zhǎng)7.564 km。原有老路路基寬度為4.5～6.5 m，道路等級(jí)為四級(jí)公路。該道路建設(shè)于2013年，交通量小，由于年久失修，地方養(yǎng)護(hù)資金有限，全線路面破壞嚴(yán)重，通車至今已出現(xiàn)一些病害，主要表現(xiàn)為邊坡坍塌、路基不均勻沉降、路基軟弱變形、邊溝普遍淤塞、涵洞部分淤塞及全線危險(xiǎn)路段安全設(shè)施缺失，路面出現(xiàn)了龜裂、坑槽、剝落等現(xiàn)象。

本次路面改造是按照貴州省交通運(yùn)輸廳發(fā)布的《貴州省縣鄉(xiāng)公路路面改善提升工程設(shè)計(jì)指南（試行）》相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)樵缆窞閱诬嚨浪募?jí)公路，道路等級(jí)較低，平縱面指標(biāo)也較低，部分路段沒(méi)有超高，所以本次設(shè)計(jì)在維持原有道路平縱線形指標(biāo)不變和路基寬度不變的情況下，以“路面改造、完善安全設(shè)施為核心，輔以適當(dāng)綠化、景觀打造”為設(shè)計(jì)宗旨。設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于對(duì)舊路面病害進(jìn)行處治，完善交通安全設(shè)施，治理安全隱患等，同時(shí)對(duì)局部彎道路段的超高進(jìn)行優(yōu)化改造，增加行車安全性和舒適性。

2 低等級(jí)瀝青路面加鋪瀝青層防裂技術(shù)研究意義

瀝青路面有著施工費(fèi)用低、剛度大、強(qiáng)度高以及施工要求較低等優(yōu)點(diǎn)，但是近幾年也發(fā)現(xiàn)存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)為：一些瀝青路面在正常使用較長(zhǎng)年份后會(huì)因?yàn)橐恍﹥?nèi)部與外部因素的影響，例如循環(huán)應(yīng)力、路面表面層老化、四季溫度交替變化等出現(xiàn)一系列病害，這將影響瀝青路面的正常使用和道路行車安全。

加鋪瀝青層是目前主要的改造方法，使用這種方法成本相對(duì)較低，在現(xiàn)場(chǎng)施工處理也更加方便，并且施工時(shí)間短。在低等級(jí)瀝青路面上加鋪瀝青可以恢復(fù)路面的適用性，還可以提升低等級(jí)路面的性能，但同時(shí)要注意滿足路面荷載要求，不會(huì)發(fā)生應(yīng)力破壞。此外，應(yīng)從加鋪瀝青層的對(duì)應(yīng)種類和配合比等方面進(jìn)行研究，以保證改造路面在規(guī)定范圍內(nèi)。在低等級(jí)瀝青路面改造過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)一些技術(shù)問(wèn)題，例如加鋪瀝青后更容易出現(xiàn)反射裂縫。反射裂縫剛開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)可能影響不大，但在雨水、氧化等負(fù)面影響下，周圍的裂縫會(huì)迅速擴(kuò)大，每次路面移動(dòng)都會(huì)使加鋪層的裂縫長(zhǎng)度略有增加。隨著荷載的增加，路面的運(yùn)動(dòng)幅度增大，裂縫擴(kuò)展速率增大，加鋪層表面迅速出現(xiàn)反射裂縫，縮短了路面的使用壽命[1]。所以首先要解決在加鋪過(guò)程中反射裂縫被擊穿的問(wèn)題，這也是當(dāng)前加鋪瀝青層所面臨的普遍問(wèn)題。

3 反射裂縫形成的原因

許多瀝青路面覆蓋層過(guò)早地出現(xiàn)與舊路面相似的開(kāi)裂模式。加鋪層表面開(kāi)裂是由于加鋪層不能承受下層路面原有裂縫的集中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力。這種移動(dòng)可能是交通負(fù)荷導(dǎo)致下層路面裂縫出現(xiàn)不同程度的偏斜，路基土膨脹或收縮，路面本身因溫度變化而膨脹或收縮。由上述任何原因引起的路面移動(dòng)都會(huì)在新鋪設(shè)的路面上產(chǎn)生剪應(yīng)力或拉應(yīng)力。當(dāng)這些應(yīng)力大于剪切強(qiáng)度或拉伸強(qiáng)度時(shí)，新的覆蓋層就會(huì)產(chǎn)生裂縫。現(xiàn)有的裂縫模式從舊的路面擴(kuò)展到新的鋪裝層，這就是所謂的反射裂縫[2]。

對(duì)加鋪層開(kāi)裂臨界條件的研究包括裂縫寬度、加鋪層厚度和車輪荷載位置效應(yīng)。任何單一的裂縫擴(kuò)展研究方法（張開(kāi)法或剪切法）都不適用于瀝青加鋪層疲勞壽命的計(jì)算，拉伸模態(tài)和剪切模態(tài)的組合更適用于確定施工過(guò)程中加鋪層的臨界條件[3]，這種情況發(fā)生在車輪荷載在裂縫軸之前的地方。加鋪層底部存在裂縫導(dǎo)致加鋪層的剪應(yīng)力比未開(kāi)裂的加鋪層增加5倍。結(jié)果表明，裂縫尖端附近拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的增加在一定程度上與裂縫寬度有關(guān)。

當(dāng)車輛荷載作用在瀝青混凝土加鋪層頂部接合處附近且板兩側(cè)接合處偏差較大時(shí)，加鋪層頂部承受較大的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力。如果它比瀝青混合料中斷裂模數(shù)與抗剪強(qiáng)度的其中一個(gè)大，都會(huì)在交匯的地方造成反射裂縫，并且已經(jīng)有裂縫的情況下會(huì)使之?dāng)U展。

舊的底層路面的裂縫通過(guò)新的覆蓋層迅速蔓延是許多地區(qū)路面存在的問(wèn)題，它通常被稱為“反射開(kāi)裂”[4]，由熱收縮循環(huán)、重復(fù)交通荷載或兩種機(jī)制的某種組合引起。覆蓋層設(shè)計(jì)方法應(yīng)考慮反射開(kāi)裂，并應(yīng)能夠評(píng)估任何給定情況下的處理效果，例如夾層、增強(qiáng)層、織物和增加的覆蓋層厚度。斷裂力學(xué)原理與應(yīng)變能和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)可以得到有效利用[5]。

4 反射裂縫參數(shù)研究

為了研究不同參數(shù)對(duì)瀝青加鋪層臨界開(kāi)裂條件的影響，本文進(jìn)行了參數(shù)研究，主要研究了車輪荷載位置、裂縫寬度和加鋪層厚度對(duì)瀝青加鋪層裂縫擴(kuò)展臨界條件的影響[6]。

在加鋪層厚度為5 cm的情況下，不同荷載位置的拉應(yīng)力分布無(wú)顯著差異，但是在加鋪層厚度為10 cm的情況下，分析結(jié)果表明荷載中間位置的拉應(yīng)力增大。當(dāng)荷載位置在裂縫軸線之前時(shí)，裂縫尖端的剪應(yīng)力大幅度增加，10 cm厚的疊加層中的剪應(yīng)力分布更為合理。在薄加鋪層中或當(dāng)裂縫長(zhǎng)度達(dá)到瀝青混合料層深度的5%～6.5%時(shí)，由于集料互鎖的程度不同，不會(huì)因?yàn)槔瓘埗M(jìn)一步擴(kuò)大裂縫[7]。當(dāng)輪載到達(dá)特定位置且加鋪層厚度小于10 cm時(shí)，得到了裂縫向上鋪展的臨界條件。

裂縫寬度對(duì)于裂縫擴(kuò)展為疊加層的臨界條件和裂縫擴(kuò)展的應(yīng)力分布質(zhì)量是有效的。為了評(píng)價(jià)裂縫寬度對(duì)應(yīng)力分布的影響，在有限元分析中對(duì)裂縫寬度分別為2 mm、4 mm和10 mm的瀝青路面進(jìn)行研究。結(jié)果表明，裂縫尖端附近拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的增加在一定程度上與裂縫寬度有關(guān)，因?yàn)榱芽p寬度從4 mm增加到10 mm時(shí)，裂縫尖端的張應(yīng)力和剪應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生明顯變化。在薄覆蓋層（小于10 cm）中，覆蓋層底部的水平應(yīng)力為壓應(yīng)力，底部的裂縫往往將這種應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力；在厚覆蓋層（大于10 cm）中，覆蓋層底部的水平應(yīng)力是抗拉的。結(jié)果表明，在厚覆蓋層中，應(yīng)力導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，而覆蓋層是拉伸的。

5 反射裂縫防治措施

對(duì)于反射裂縫的控制在實(shí)際施工中有很多不同的方法，結(jié)合工程背景和施工要求，針對(duì)銅仁市江口縣凱德至黑巖坪公路路面改善提升工程提出以下措施，以達(dá)到防治反射裂縫的目的。

1）原路面在加鋪土工織物之前應(yīng)進(jìn)行碾磨，在加鋪瀝青路面結(jié)構(gòu)層之前就應(yīng)該消除原路面的缺陷，研究瀝青路面存在的缺點(diǎn)，這是預(yù)防反射裂縫的一種重要措施[8]。選擇合理的配合比，控制材料用量，注意結(jié)構(gòu)層的保護(hù)，及時(shí)在頂面或密封層上鋪設(shè)路面層，減少收縮縫，同時(shí)提升瀝青的質(zhì)量，這也是減少瀝青路面反射裂縫經(jīng)常采用的方法[6]。為保證低等級(jí)瀝青路面與瀝青加鋪層連接層的質(zhì)量可以達(dá)到規(guī)定要求，應(yīng)鑿開(kāi)低等級(jí)路面，并在上面涂上優(yōu)質(zhì)粘結(jié)性布油（最好是改性瀝青）。

2）設(shè)置應(yīng)力吸收膜?，F(xiàn)在使用的國(guó)產(chǎn)應(yīng)力吸收膜主要應(yīng)用于有孔隙和多面層的路面。在施工中設(shè)置應(yīng)力消除層的目的是消去下承層因?yàn)楦邞?yīng)力作用而產(chǎn)生的水平方向的運(yùn)動(dòng)，防止瀝青加鋪層受到相應(yīng)的影響從而產(chǎn)生相應(yīng)的裂縫，同時(shí)預(yù)防出現(xiàn)反射裂縫，改變水分滲透對(duì)路面的影響效果，起到保護(hù)作用。

3）瀝青路面的結(jié)構(gòu)為多層體系，各層結(jié)構(gòu)物之間依靠粘層油連接為一個(gè)整體來(lái)抵抗荷載和環(huán)境因素的作用。玻纖格柵的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)決定了涂層熱瀝青可以直接接觸到上層瀝青混合料[8]。在進(jìn)行上層混合料碾壓時(shí)，通過(guò)熱瀝青使上下兩層的壓實(shí)更充分，強(qiáng)度更好。聚酯布、聚酯玻纖布屬于可滲透的聚合物材料，滲透度高時(shí)上下層粘結(jié)則稍強(qiáng)，聚酯布和聚酯玻纖布較高的纖維含量提供了層間粘結(jié)的媒介作用，大大提高了材料的抗拉拔強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度。

鋪設(shè)鋪裝層之后，找到低等級(jí)瀝青路面反射裂縫的部分，將舊道路上的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，并在新鋪瀝青之前完成，以此保證舊縫不會(huì)對(duì)加鋪瀝青層造成影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)多年的研究和工程施工實(shí)踐，針對(duì)反射裂縫問(wèn)題主要是進(jìn)行防治和緩解，想要永久消除這種裂縫是不現(xiàn)實(shí)的。加鋪瀝青層所采用的反射裂縫防治措施主要是通過(guò)一系列的舉措達(dá)到防治裂縫產(chǎn)生的最佳效果，不從產(chǎn)生后如何處理下手。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)為了達(dá)到后期使用階段不產(chǎn)生反射裂縫的施工效果，需要在找尋相應(yīng)措施時(shí)兼顧一系列其他的施工影響，例如施工條件是否滿足施工現(xiàn)場(chǎng)要求，施工工藝是否成熟。當(dāng)選擇好對(duì)應(yīng)措施之后不能直接運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)的施工中，因?yàn)槭覂?nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工還存在一定的不同，要在對(duì)施工地形、施工特點(diǎn)進(jìn)行分析后選出最好的符合該項(xiàng)目的瀝青層防裂措施，這樣才能達(dá)到預(yù)期的防治效果，讓低等級(jí)瀝青路面重新投入使用。

本文結(jié)合銅仁市江口縣凱德至黑巖坪公路路面改善提升工程施工實(shí)例，針對(duì)低等級(jí)公路瀝青路面加鋪瀝青層的防裂進(jìn)行研究，并提出一系列的措施用來(lái)解決工程中出現(xiàn)的一些實(shí)際問(wèn)題，以期對(duì)其他反射裂縫防治工程提供參考。