高等級公路瀝青路面的早期病害裂縫
2012-02-10 來源：筑龍網(wǎng)
隨著我國高等級公路的迅速發(fā)展，瀝青路面作為一種高級路面廣泛被采用，在我國高等級公路的建設中，瀝青路面以其地質(zhì)條件適應
性強、行車舒適、維護方便等優(yōu)點而被廣泛用于公路建設中。在公路通車后，因行車荷載作用、外界環(huán)境等方面的影響，瀝青路面卻易出現(xiàn)早期病害，尤其是在氣候潮濕、降雨量大、雨季長的地區(qū)，瀝青路面的早期病害更為嚴重。瀝青路面本身易產(chǎn)生低溫裂縫，瀝青路面一旦出現(xiàn)裂縫，有可能導致路面結構性破壞影響路面的使用功能。因此為了保證路面的結構性能，需要分析路面產(chǎn)生開裂的原因并做好相應的防護措施。
瀝青材質(zhì)本身的差異，以及受設計和施工水平的影響瀝青路面的常見病害過早的出現(xiàn)這些病害的出現(xiàn)嚴重影響了行車速度、行車安全、加大了汽車磨損。瀝青路面在使用期開裂是養(yǎng)護中普遍存在的問題，且不論其基層是柔性的還是半剛性的。
高等級公路瀝青路面的早期病害主要有3種類型：變形類、裂縫類和松散類。
1．瀝青路面的變形，可分為表面變形和沉降類兩種，主要表現(xiàn)為車轍、推移、擁包、沉陷等。
2．瀝青路面出現(xiàn)的各種裂縫，有縱向裂縫、橫向裂縫、塊狀裂縫、反射裂縫等。
3．瀝青路面面層石料出現(xiàn)松散、離析現(xiàn)象，在水的作用下，逐漸形成坑槽。
瀝青路面的表面變形主要是由于瀝青路面的熱穩(wěn)定性不足，在高溫行車下，瀝青路面表層的構造深度不夠，瀝青路面出現(xiàn)車轍。
4．瀝青路面出現(xiàn)的松散，主要是由于瀝青混合料的空隙率較大，瀝青與集料的粘附性差，水容易滲人瀝青面層，并進一步下滲到基層，使基層含水量增大，在重載車輪高動壓力作用下，基層整體性逐漸破壞，雨后，路面中水分的蒸發(fā)促使瀝青面層產(chǎn)生裂紋，導致水更容易滲入路面，基層整體性進一步惡化，最終形成一個相互影響的惡性循環(huán)。
一、瀝青路面開裂原因
瀝青路面開裂的原因是錯綜復雜的，就瀝青路面開裂的主要原因而言可分為兩大類：一種是由于行車荷載的作用而產(chǎn)生的結構性破壞裂縫，一般稱之為荷載型裂縫；另一種主要是由于瀝青面層溫度變化而產(chǎn)生的溫度裂縫，包括低溫收縮裂縫和疲勞裂縫，一般稱之為非荷載型裂縫。我國現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范中規(guī)定或推薦瀝青路面采用半剛性基層。因此還存在著因為半剛性基層的溫縮裂縫或干縮裂縫引起瀝青面層產(chǎn)生的反射裂縫或對應裂縫。此類縫主要是非荷載型的。
瀝青路面出現(xiàn)裂縫的原因有：①由于采用半剛性基層剛度甚大而形成收縮裂縫，并導致瀝青面層出現(xiàn)反射裂縫 ；②在降溫時，瀝青上面層的降溫速度遠大于中、下面層；③施工縫或冷接縫處理不好，結合不夠緊密。路面裂縫的危害在于從裂縫中不斷進入水分，使基層甚至路基軟化，導致路面承載力下降，產(chǎn)生唧漿、臺階、網(wǎng)裂等病害，從而加速路面破壞。
二、瀝青路面裂縫應力分析
（一）結構性破壞裂縫
1．瀝青路面的結構性破壞裂縫主要是由于行車荷載引起的。在車輪荷載作用下，大于半剛性基層材料的抗拉強度時，半剛性基層的底部就會很快開裂。在行車荷載的反復作用下，底部的裂縫會逐漸擴展到上部，并使瀝青面層也產(chǎn)生開裂破壞。影響拉應力主要因素有面層的厚度、基層本身的厚度、基層的回彈模量和下承層的回彈模量。
2．在半剛性基層下采用半剛性材料做底基層，可使基層底面由行車荷載產(chǎn)生的拉應力明顯減小，甚至還小于半剛性底基層底面產(chǎn)生的拉應力，這對半剛性基層承受行車荷載的反復作用是十分有利的。
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瀝青面層上的非荷載型裂縫主要是溫度裂縫。溫度裂縫有兩種，一種是低溫收縮裂縫簡稱低溫裂縫，另一種是溫度疲勞裂縫。
1、低溫裂縫
瀝青材料在較高溫度條件下，具有良好的應力松馳性能，溫度升降產(chǎn)生的變形不致于產(chǎn)生過大的溫度應力，但當氣溫大幅度下降時，瀝青材料逐漸發(fā)硬并開始收縮。此時半剛性基層的底部將產(chǎn)生拉應力，當拉應力瀝青混合料的應力松馳趕不上溫度應力增長，混合料勁度急劇增大。由于瀝青面層在路面中是受到約束的，面層中產(chǎn)生的收縮拉應力或拉應變一旦超過瀝青混合料的抗拉強度，瀝青面層就會開裂。這種情況在瀝青面層與基層的附著力不夠好、允許有一定的自由收縮時，裂縫就更容易發(fā)生。由于瀝青路面寬度有限，收縮受路面結構的相互約束小，所以低溫裂縫主要是橫向的。
2、溫度疲勞裂縫
這種裂縫主要發(fā)生在日溫差大的地區(qū)。由于溫度反復升降導致瀝青面層溫度應力疲勞，使瀝青混合料的極限拉伸應變（或勁度模量）變小，加上瀝青的老化使瀝青勁度增高，應力松馳性能降低，最終達到極限抗拉強度使路面產(chǎn)生裂縫。
一方面溫度向瀝青面層底部傳遞需要一定的時間，不是瞬時完成的，而且瀝青面層內(nèi)部和底部的溫度不可能與其暴露表面的溫度相同，始終有溫度差，即瀝青面層中會產(chǎn)生較大的溫度梯度。瀝青面層愈厚，表面溫度與底部溫度差愈大，層間溫度梯度也愈大。
另一方面瀝青面層表面的溫度應力隨著面層的增厚而增加，面層內(nèi)的應力隨深度而很快減小，同時面層表面的溫度應力隨降溫幅度變小而減小。瀝青面層的表面一旦開裂，隨著持續(xù)低溫或另一次降溫，
在裂縫尖端會產(chǎn)生較大的應力集中，使裂縫向下延伸并逐漸穿透整個瀝青面層；由于面層底部與基層表面的粘結作用，裂縫呈現(xiàn)上寬下窄現(xiàn)象。
半剛性路面的反射裂縫和對應裂縫。
由半剛性基層溫縮開裂引起的反射裂縫。
通常假設導致反射裂縫的機理是處于瀝青面層下的半剛性基層已經(jīng)開裂，并且允許有垂直位移和水平位移。垂直位移是由行車荷載引起的下臥路面結構在裂縫處的差動位移，水平位移是由溫度變化或水分變化引起的膨脹和收縮。
冬季或在寒冷地區(qū)，在結合得好的瀝青面層下，開裂的半剛性基層的水平位移使得直接在裂縫上的面層內(nèi)產(chǎn)生大的拉應力或拉應變，由于在較低溫度下瀝青面層通常較硬，它只能承受小的拉應力或拉應變，因此容易被拉裂，并且裂縫的擴展途徑是由下至上的。瀝青面層的厚度愈薄反射裂縫形成的愈早和愈多。
由半剛性基層干縮開裂引起的對應裂縫。
對于新鋪的半剛性基層，隨著混合料中水分的減少，要產(chǎn)生干縮和干縮應力；水分減少得愈多愈快，產(chǎn)生的干縮應力和干縮應變就愈大。在已經(jīng)產(chǎn)生干縮裂縫的半剛性基層上鋪筑 瀝青面層，在較薄瀝青面層的情況下，半剛性基層的裂縫會由于溫度應力而使面層底部先開裂，并較快形成反射裂縫。一旦行車產(chǎn)生的拉應力與溫度應力相結合，反射裂縫會形成得更快。在較厚瀝青面層的情況下，由于溫度應力在表面最大，基層的裂縫將促使面層先從表面開裂，然后逐漸向下傳播形成對應裂縫。
三、影響裂縫產(chǎn)生的主要因素
?。ㄒ唬r青及瀝青混合料的性質(zhì)
瀝青和瀝青結合料的性質(zhì)是影響瀝青路面溫度開裂的最主要原因，瀝青混合料的低溫勁度是決定瀝青路面是否開裂的最根本因素，瀝青勁度又是決定瀝青混合料勁度的關鍵。在瀝青性能指標中，影響更大的是溫度敏感性，溫度敏感性大的瀝青更容易開裂。
?。ǘ┗鶎硬牧系男再|(zhì)
基層材料的收縮性愈小，面層裂縫愈少?；鶎由嫌型笇佑鸵约訌娕c面層的粘結對抗開裂是有好處的，基層材料種類對瀝青面層的裂縫率有明顯影響。
（三）氣候條件
極端最低溫度降溫速率、低溫持續(xù)時間升降溫循環(huán)數(shù)次數(shù)是氣候
條件影響瀝青路面溫縮裂縫的四大要素。
?。ㄋ模┙煌亢蛙囕v類型
半剛性基層中的最大拉應力，通常是由最重的車輪荷載產(chǎn)生的；并且對于半剛性路面，不同軸載對路面的破壞作用遠不是4次方的關系，而11~13次方的關系，即使是通過次數(shù)較少的重荷載也對路面破壞起著決定性的作用。
四、瀝青路面裂縫的防護措施
針對我國瀝青路面的使用性能，要求瀝青面層具有足夠的結構強度，良好的熱穩(wěn)定性，耐磨、抗滑、平整和不透水性。目前，我國瀝青面層可分為上、中、下層。從其各層分工情況看，下面層以抗疲勞為主，中面層以抗高溫車轍與低溫開裂為主，上面層首先要有足夠的抗滑能力與構造深度，其次是抗低溫開裂、抗高溫車轍 、低噪聲。為解決瀝青路面早期損壞，保證其有良好的使用性能，應對瀝青路面不同的早期病害類型，采用不同的防治措施。
對由于基層而出現(xiàn)的裂縫，應使瀝青基層與面層有良好的結合，基層的剛度必須適中，并具有較小的平縮與低溫收縮變形，可選用穩(wěn)定粗粒料基層，并采用下封層措施解決半剛性基層的低溫收縮裂縫問題，有效防止反射裂縫出現(xiàn)。在施工過程中，應注意盡量減少冷接縫，確保熱接縫。
為減弱半剛性基層瀝青混凝土面層的荷載型裂縫和非荷載型裂縫，可采用兩大類方法：一是在施工階段采用相應的預防或處理措施；二是在維修養(yǎng)護時選用合適的加鋪層體系。在有條件時，通常會綜合運用這兩類方法以獲得最佳效果。
?。ㄒ唬┍ＷC路基工作床的強度和穩(wěn)定性
路基和路面是不可分割的整體、路基是路面的基礎，路面又起到保護路基的作用。路基工作區(qū)是支撐路面經(jīng)受行車荷載影響較大的深度區(qū)域，該深度區(qū)域必須具有足夠的強度和整體穩(wěn)定性這對于保證路面結構的強度和穩(wěn)定性極為重要，否則將產(chǎn)生不均勻沉降使路面發(fā)生開裂。
1．路基工作區(qū)的強度主要是在填筑過程中形成的。為確保路基強度，必須嚴格控制路基的填筑工藝，合理選擇填筑材料。
路基工作區(qū)深度：
式中：
—路基工作區(qū)深度，m；
p一車輪荷載，KN；
k—系數(shù)，k=0.5；
γ—土的容重，KN／m；
n—系數(shù)，n=5~10；
根據(jù)上式可以看出，路基工作區(qū)的深度za隨車輛荷載 P增大而加深。公路交付使用后，如果車輛超載運行時。路基工作區(qū)深度Za將會加大。那么路基工作區(qū)的實際深度將會超出設計深度，這樣未處理超出部分的路基強度、穩(wěn)定性、剛度將會不足，在實際使用中，路基路面就會產(chǎn)生裂縫。因此建議在路基施工時對路基工作區(qū)的控制深度最好是大于路基工作區(qū)的設計深度。
2．提高路基強度和穩(wěn)定性的最經(jīng)濟、最有效的技術措施是壓實度。在施工中必須嚴格加以控制，使其達到規(guī)定值。
3．降低地下水位是提高路基強度的重要措施。當?shù)叵滤惠^高且路基標高受到限制時會造成路基水溫條件差，影響路基的強度與穩(wěn)定性。路面底以下80 cm路床是路基的關鍵部位，承受和擴散路面的應力，如開挖后發(fā)現(xiàn)底下滲水必須處理。
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基層是主要承受豎直應力的承重層。大量試驗證明，當增加基層厚度時，承載能力會也迅速增加。
（三）適宜增加面層厚度
由于基層材料的干縮或低溫收縮而開裂，會導致面層也相應發(fā)生反射裂縫，這時在不需很高的成本的情況下適當加厚面層，可以有效的防止受拉疲勞裂縫，還可以降低車輛荷載引起的剪應力。
?。ㄋ模┻x擇防裂性能好的材料
礦料礦質(zhì)原材料對路面質(zhì)量和使用壽命具有決定性作用。
1．在進行半剛性路面設計時，首先應選用抗沖刷能力好，干縮、 溫縮系數(shù)小、抗拉能力高的半剛性材料作基層。
2．為保證瀝青的針入度、延度等指標應選用松弛性能好的優(yōu)質(zhì)瀝青做面層；在缺少優(yōu)質(zhì)瀝青的情況下，應采用某些添加劑或聚合物。
3．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作面層。
4．采用密實型瀝青混凝土面層。
5．應選用表面粗糙、石質(zhì)堅硬、耐磨性強、嵌擠作用好、與瀝青粘附性好的材料作為瀝青混合料的集料。
6．合理選配混合料級配時，應兼顧其高溫穩(wěn)定性，疲勞性能和低溫抗裂性能，以及路表特性和耐久性等各方面的要求。
7．為進一步提高表面層的抗溫度裂縫能力，可采用橡膠瀝青或
聚合物改性瀝青在瀝青混凝土表面作封層。
?。ㄎ澹┰O置應力吸收層
1．在基層與面層之問鋪橡膠瀝青中間層、預制織物膜帶條、土工 織物或土工格柵中間層、低粘度瀝青混凝土層等均勻應力吸收層。
2．為減緩反射裂縫的產(chǎn)生與擴展可采用應力吸收薄膜。
3．橡膠瀝青吸收膜，施于面層中間，形成一薄膜或與砂石成一薄層。
五、施工過程控制裂縫
根據(jù)規(guī)范，通過路面結構設計和厚度計算可以滿足瀝青路面強度和承載能力要求，基本解決荷載型裂縫產(chǎn)生的問題。對于如何避免或減輕非荷載型裂縫的產(chǎn)生，應從設計與施工兩個方面來進行考慮。
一方面嚴格半剛性基層碾壓時的含水量，混合料的含水量不能超過壓實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。碾壓完成后或最遲在養(yǎng)生結束后應立即用乳化瀝青做透層或粘層，然后應盡快鋪筑瀝青面層。
另一方面控制好制備瀝青混合料時加熱時間和溫度，加強碾壓，可減少反射裂縫。
為減少路面裂縫的出現(xiàn)，應在鋪設瀝青面層前，就采取裂縫預防措施和處理技術。特別是在道路建設初期采取措施阻止裂縫的形成，這將大大減少裂縫的產(chǎn)生。
?。ㄒ唬┰O計方面
1．設計混合料合成級配不合理
礦質(zhì)混合料設計礦料的合成比例決定了礦質(zhì)混合料合成級配，JTJ032—94《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求，礦質(zhì)混合料合成級配應使包括0.075mm、2.36mm、4.75mm篩孔在內(nèi)的較多篩孔的通過率接近技術規(guī)范級配范圍的中值，但“規(guī)范”未區(qū)別各地氣候差異道路交通條件和不同油面層位的功能要求進行合成礦料級配調(diào)整，設計時片面強調(diào)按密實級配原則設計礦質(zhì)混合料，這類瀝青混合料結構強度受溫度影響較大，通常表現(xiàn)為低溫抗裂性和密水性較好，高溫抗變形能力差此類教訓是深刻的，國內(nèi)因為瀝青混合料礦料級配設計不合理，通車后不久發(fā)生早期損壞的實例恐怕不止以個位數(shù)來統(tǒng)計江西地處熱區(qū)，通常瀝青混合料組成設計時應綜合高溫穩(wěn)定性、密水性和表面層防滑、抗裂性要求。
2．路面結構設計不合理
瀝青路面早期損壞與路面結構設計不合理有很大關系，從現(xiàn)有瀝青路面結構早期損壞情況看，不可否認，在瀝青路面結構設計方面存在一定的不合理性。很多地區(qū)盡管瀝青路面早期破壞的現(xiàn)象和特征不盡相同，但對于水損壞、車轍等與設計路面結構設計密切相關的早期損壞是普遍存在的。對于我國現(xiàn)行瀝青路面結構設計存在的一些問題。
3．在進行半剛性路面設計時，首先應選用抗沖刷性能好、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)小、抗拉強度高的半剛性材料做基層。
4．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，應采取改善瀝青性質(zhì)的措施。
5．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。
6．瀝青面層采用密實型瀝青混凝土。
7．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縫。
8．為進一步提高表面層抗溫度裂縫性能，可采用橡膠瀝青或聚合物瀝青在瀝青混凝土表面做一封層。
9．設置應力消減（應力吸收）中間層。
（二）施工方面
1．施工配合比的控制瀝青混合料材料組成設計分為目標配合比設計、生產(chǎn)配合比設計、生產(chǎn)配合比驗證三個階段，為了保證設計瀝青混合料各層的結構功能，優(yōu)化礦質(zhì)混合料組成設計時對目標配合提出了較明確的要求，并通過目標配合比設計確定了各冷料倉材料比例和瀝青用量。
2．拌和溫度和拌和時間控制拌和料生產(chǎn)時，瀝青和骨料的加熱溫度與拌和時間控制將直接影響瀝青混合料的均勻性和質(zhì)量。當瀝青或骨料加熱溫度過高，會使瀝青產(chǎn)生老化常見瀝青混合料出現(xiàn)枯料、沒有色澤，瀝青或骨料加熱溫度過低或拌和時問不夠時，常易出現(xiàn)花白料，瀝青混合料均勻性差或出料溫度偏低，影響攤鋪和壓實質(zhì)量。
3．瀝青混合料攤鋪瀝青混合料應保持連續(xù)、勻速地攤鋪，為保證瀝青混合料的均勻性，一般中、下油面層宜采用兩攤鋪機成梯隊平行攤鋪，表面層宜選用一臺寬幅攤鋪機整幅攤鋪，以消除縱向接縫可能出現(xiàn)的不平整和結合部瀝青混合料出現(xiàn)離析而引起松散。
4．嚴格控制半剛性基層施工碾壓時的含水量，混合料的含水量不能超過壓實需要的最佳含水量或控制在施工規(guī)范容許的范圍內(nèi)。
5．半剛性基層碾壓完成后，要及時養(yǎng)生。
6．半剛性基層碾壓完成后或最遲在養(yǎng)生結束后應立即用乳化瀝青做透層或封層。
7．透層或粘層完成后，應盡快鋪筑瀝青面層。實際上按照現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范要求，瀝青路面厚度設計相對偏厚，目前采用的半剛性基層收縮性都比較小，施工工藝水平有很大提高，所以新建半剛
性瀝青路面上出現(xiàn)的裂縫絕大多數(shù)是瀝青路面本身產(chǎn)生的溫度裂縫。
六、路面裂縫的形成也是管理上的問題
近幾年，我國的高速公路發(fā)展非?？?，總里程現(xiàn)在已經(jīng)躍居世界第二，但在發(fā)展的過程中，也出現(xiàn)了一些不好的現(xiàn)象，一些地區(qū)盲目攀比，不按科學規(guī)律辦事，過分地追求高速度。由于盲目追求速度，一些技術方面的問題就不能及時處理到位，例如軟土層的處理問題，國外的經(jīng)驗普遍是提前幾年先修路基，運行幾年后讓其自然下沉，然后再修基層和面層，這樣路基和路面就比較穩(wěn)定了而一些地區(qū)由于片面追求速度，就沒時間解決這些問題。
七、根治
瀝青路面常見病害的根治應從管理、設計、施工、材料四個方面著手，來解決路面一方面的問題瀝青路面早期損壞的防治應本著“預防為主、標本兼治”的原則進行，通過合理的設計、選材，加強施工過程中各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量管理，提高瀝青路面的使用品質(zhì)，避免或最大限度地減少病害發(fā)生。
八、結束語
造成瀝青路面早期病害的原因具有多樣性、復雜性的特點，它們是相互影響、復雜交錯的，應注意從瀝青路面的基層材料、瀝青材料、瀝青混凝土的級配、空隙率、壓實度、瀝青與集料的粘附性、施工等方面綜合考慮，采取有效的防治措施，提高使用性能，延長瀝青路面的壽命。
綜上所述瀝青路面質(zhì)量好與壞，不止是施工單位單一的質(zhì)量控制，還涉及到設計水平，政府行為，因此，為了建好路消除瀝青路面的常見病害。需要各部門齊心協(xié)力，堅決杜絕今年竣工明年返工的現(xiàn)象，因為瀝青路面特別是高級路面造價較高，而我國目前還處于初級階段國家并不富裕，集資修路很不容易。所以我們每一個部門包括政府，設計、施工都應齊心協(xié)力修好路，才能從根本上減少瀝青路面的早期破損現(xiàn)象的發(fā)生，使我省公路建設質(zhì)量全面提高，更上新臺階。
