建筑工程师论文浅析半刚性路面反射裂缝

　　本篇文章是由优秀建筑期刊《工程质量》发表的一篇建筑论文，创刊于1983年，由建设部主管，中国建筑科学研究院、中国建筑业协会工程建设质量管理分会及国家建筑工程质量监督检验中心主办。是我国建筑领域唯一一本全面报导工程质量及精品工程的期刊。荣获2011年、2012年鸿翔杯全国建筑行业精品期刊;建设部优秀期刊全国建筑行业信息媒体宣传先进集体。

　　【摘 要】通过分析半刚性路面裂缝的形成机理和扩展模式及其对路面的危害，最后针对影响裂缝形成和扩展的因素提出了相应的防治措施。

　　【关键词】反射裂缝;半刚性路面;半刚性基层;防治措施

　　随着中国经济的迅速发展，高等级公路的里程不断增加。为适应高等级公路重交通、重载对道路的要求，以无机结合料稳定粒料(土)类为基层，沥青混凝土为面层的半刚性路面被广泛使用于高等级路面。因为半刚性路面具有两个较为明显的特点，其一，具有较高的强度和承载力。一般来说，半刚性基层材料具有较高的抗压强度和抗压弹性模量，并具有一定的抗弯拉强度，且都随着龄期的增加而不断增加，因此，半刚性沥青路面通常具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力。其二，半刚性基层强度大，使得其上沥青面层弯拉应力值较小，从而提高了沥青面层抵抗行车疲劳破坏的能力。

　　鉴于半刚性沥青路面强度、平整度及抗行车疲劳性能等优点，半刚性沥青路面已成为目前中国高等级公路路面的主要形式。然而随着这种结构的大量使用，发现其存在着严重的裂缝问题，并已成为该结构的主要问题。反射裂缝是沥青路面裂缝的主要形式，它的存在破坏了路面结构的整体性和连续性，并一定程度上导致结构强度的削弱(如裂缝处弯沉增大，回弹模量降低等)。而且随着雨水和雪水的浸入，基层变软，在大量行车荷载反复作用下，导致路面强度大大降低，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青面层碎裂，加速沥青路面的破坏，影响路面的使用性能。

　　一、反射裂缝的类型

　　对于半刚性基层沥青路面，反射裂缝指由于半刚性基层在温度梯度和湿度变化下产生收缩开裂，此种基层材料先开裂而后沿开裂基层向上方反射到沥青面层而形成的裂缝，或者在行车荷载作用下，裂缝沿已开裂半刚性基层向上扩展而形成的裂缝。很显然，反射裂缝的产生主要是刚性基层已先开裂，再经行车或温度、湿度变化而引起沥青面层裂缝。

　　沥青路面开裂的原因和形式是多种多样的，沥青路面的裂缝主要包括两种：一是荷载型裂缝，主要是由于行车荷载作用产生的;二是非荷载型裂缝，其主要类型是温度裂缝。它包括低温收缩裂缝和温度疲劳裂缝两种。根据研究资料表明，半刚性路面的反射裂缝主要是非荷载型裂缝，由温度引起的。

　　二、反射裂缝的形成机理

　　通常情况下，把反射裂缝的形成过程分为两个阶段：一是反射裂缝的产生阶段;二是反射裂缝的扩展阶段。

　　1.反射裂缝的产生。(1)温度型反射裂缝。温度型反射裂缝有两种，一种是在开裂基层(或老路)上铺厚沥青面层后，在冬季突然降温过程中，基层(或老路)的裂缝会由于温度收缩而继续拉开，它将给产生温度收缩的新铺沥青面层增加一个附加拉应力;两个拉应力叠加一旦超过沥青混合料抗拉强度，新沥青面层的表面在基层(或老路)裂缝的上方开裂，并逐渐向下延伸，直到与老路的裂缝相连，这样形成的裂缝通常称为低温收缩裂缝。另一种裂缝主要发生在昼夜温差比较大的地方。在开裂基层(或老路)上铺薄沥青面层的情况下，裂缝将从面层底面开始，面层底面一旦开裂，除在负温差下缝端有拉应力外，在正温差(升温造成的温差)下缝端产生的拉应力更大。由此产生的裂缝称之为温度疲劳裂缝。(2)荷载型反射裂缝。当行车荷载经过接缝或裂缝时，在面层中产生的应力影响线可分为三个阶段：一是轴载位于接、裂缝一侧时，接、裂缝两侧产生较大的相对位移，在沥青面层中造成较大的剪切应力;二是轴载位于接、裂缝顶面时，两侧无相对位移或相对位移较小，沥青面层主要承受弯拉应力作用;三是轴载驶离接、裂缝时，在面层内产生与第一次方向相反的剪切应力。在整个过程中沥青面层受到两次剪切一次弯拉作用，其直接结果是引起反射裂缝的产生和扩展，荷载因素是引起反射裂缝的一个重要因素。

　　2.反射裂缝的扩展。沥青面层的反射裂缝从其产生到整个路面破坏，中间要经历一个裂缝扩展阶段，即反射裂缝在罩面层厚度方向上的纵向扩展和其在表面的横向扩展。(1)反射裂缝的纵向扩展。断裂力学认为，裂缝的扩展有三种位移模式：张开模式、剪切模式和撕开模式，其中，温度应力对反射裂缝影响的模式为张开模式;行车荷载对反射裂缝影响的主要模式为张开模式和剪切模式。当车轮驶经裂缝的正上方时，以张开模式来引起反射裂缝;在裂缝之前和之后的位置，主要以剪切模式影响反射裂缝。撕开模式在罩面层中不常出现。与张开模式相对应的温度型反射裂缝通常产生于薄层罩面层底部，而后向上逐渐扩展到罩面层顶面。当沥青罩面层或面层较厚且气温较低时，裂缝产生在罩面层或面层的顶面和底面，而后向罩面层或面层中间扩展，形成所谓对应裂缝。对于正荷载作用下的张开模式所对应的反射裂缝，一般产生于罩面层底面，在周期性荷载的作用下垂直向上扩展。在偏荷载作用时，反射裂缝以剪切模式在罩面层中向上扩展，其扩展路径在罩面层中是沿大约45°角的方向向上扩展。当车轮荷载(偏荷载)和温度应力共同作用于复合罩面结构时，裂缝的扩展界于偏荷载和温度应力单独作用时裂缝扩展路径之间，比偏荷载作用时的裂缝扩展路径更垂直一些。(2)反射裂缝的横向扩展。裂缝发展过程是首先应在道路表面某些位置产生，然后再向两侧扩展。一般情况下，反射裂缝多出现在轮迹处。环境因素会加速反射裂缝的扩展。裂缝一旦出现，水分的浸入、氧化以及行车荷载的反复作用，常常加速反射裂缝向四周扩展。即使裂缝贯穿于整个路面宽度，也不会影响行车的舒适性。各地区的温度状况不同，各路段的交通条件和现有路面的结构状况也不相同，因而，反射裂缝的产生有可能主要是温度原因引起的，也有可能主要是荷载作用引起的，或者是温度和荷载共同作用所造成的。对于基层裂缝引起的反射裂缝而言，主要是由于温度引起的，行车荷载在其形成的后期起到促进作用，但较薄的沥青面层和较厚的沥青面层的反射裂缝产生的机理不同;对于旧水泥砼接缝上的沥青罩面层中出现的反射裂缝而言，主要是由于荷载原因引起的，行车荷载的施加速度远高于温度变化产生的面板伸缩位移的速度，特别是偏荷载作用。

　　三、防治对策及处理方法

　　目前，中国在防治反射裂缝方面主要从以下三大部分进行处理：一是改善沥青混凝土面层性能，如增加沥青层厚度、加筋罩面层、使用改性沥青等;二是设置应力/应变吸收薄膜夹层，如采用SAMI、土工织物、土工网格、粘结间断层等;三是对基层材料本身，选择抗冲刷性好，干缩系数和温缩系数小和抗拉强度高的半刚性材料。

　　1.适当增加面层厚度。由机理分析，反射裂缝明显受沥青面层厚度的影响，厚度超过15cm的面层可以有效防止反射裂缝的扩展;还可以降低车辆荷载引起的剪应力。当然，过分的增大面层的厚度，会造成浪费，应适当的增大沥青面层的厚度，使得起到明显的防止裂缝的作用。

　　2.改善半刚性基层的温干缩性质。造成半刚性基层沥青反射裂缝的一个重要原因是半刚性基层自身的开裂。为了减少自身的开裂，所以就要降低其温缩和干缩系数。(1)尽量使用骨架密实结构矿料级配。(2)由于细料比表面大，所以半刚性基层材料中细料越多，材料内部孔隙也就越多，从而在水作用下其收缩也就越大，所以要控制粒料中细料含量和塑性指数。通过0.075 mm 筛孔的细料含量控制在约5%～7%;细土的塑性指数应尽可能地小，不宜大于4。(3)在满足要求的情况下，用最小水泥剂量。因为随着水泥用量增加，其收缩也随之增加。必要时，在水泥稳定料中使用减水剂。3.在面层和基层之间设置应力应变削减中间层(SAMI)。SAMI 对减缓反射裂缝的产生与扩展有明显的效果，可使裂缝处相对位移产生的应力传到面层时大为减少(有人研究认为可减少到15%)，可明显减弱裂缝尖端应力的奇异性，降低应力强度因子。SAMI可以分成以下几类：橡胶沥青中间层，预制纤维膜布，土工织物中间层，低稠度沥青混凝土中间层，开级配沥青混凝土底层。在选择和设计SAMI 应注意以下几点：(1)SAMI 与面层、基层的粘结性能，这种粘结必须是均匀和永久的，否则会过早出现分层。(2)SAMI 的劲度：夹层的劲度与夹层的模量和厚度有关，如果夹层的劲度很低，那么在罩面层的底部引起很大的应变，从而导致罩面层的开裂。与此相反，如果夹层的劲度过高或者夹层特别薄，温度应力将100%的传递到罩面层中，起不到防止反射裂缝的效果。(3)SAMI 的韧度：如果SAMI 的韧度太低，那么裂缝将很容易在SAMI 中扩展，使得SAMI 没有防治效果或者效果有限。

　　4.在面层和基层之间设置级配碎石。减少反射裂缝的一个较有效措施是在半刚性基层与较薄沥青面层之间设置厚100mm～150mm的级配碎石中间层。级配碎石作为散粒结构，不传递拉应力、拉应变，能充分吸收其下层裂纹释放的应变能;级配碎石还有很好的隔离作用，可以大大改善半刚性基层的温度、湿度状况，从根本上消除和减轻半刚性基层的温缩和干缩，减少反射裂缝。

　　四、总结

　　反射裂缝的产生主要是由于半刚性基层的温干缩应力导致基层先开裂，而后在温差应力和荷载应力共同作用下向面层发展。面层厚度和基层的温缩性能是影响反射裂缝多少和发展快慢的主要因素。增加面层厚度，降低半刚性基层的温干缩系数，在基层和面层之间添加SAMI层或级配碎石是消除和减少反射裂缝的有效措施。

　　参考文献：

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