瀝青路面裂縫的機(jī)理及防治的應(yīng)用

周黎

摘要：瀝青路面裂縫是公路諸多病害中危害較為嚴(yán)重的一種頑癥，也是路面早期損壞的一種通病。對(duì)此，文中綜述了產(chǎn)生反射裂縫和溫度裂縫的機(jī)理，提出綜合治理的新思路，在設(shè)計(jì)、施工、選材和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，介紹了一種適用的修補(bǔ)方法：現(xiàn)場(chǎng)再生修補(bǔ)法。

關(guān)鍵詞：瀝青；路面；裂縫；機(jī)理；防治

我國(guó)瀝青路面的常見病害多而復(fù)雜，但經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐、探索和研究等多方努力，隨著施工技術(shù)和機(jī)械化程度的提高，許多病害正在逐年減少，開裂導(dǎo)致路面迅速損壞的現(xiàn)象雖有改善，但瀝青路面裂縫這一病害至今未能根除。

1瀝青路面發(fā)生裂縫的原因

普遍認(rèn)為裂縫的產(chǎn)生是自基層裂縫向上擴(kuò)展的結(jié)果，稱之為反射裂縫，但有的專家提出裂縫通常是從瀝青路面外露表面開始，向下擴(kuò)展與基層裂縫相接，向外延伸形成縱、橫、網(wǎng)裂的。

一般認(rèn)為，舊水泥混凝土路面上瀝青罩面層的反射裂縫是由于舊水泥面板的移動(dòng)所造成的，而這種移動(dòng)又主要來源于溫度的變化、行駛車輛及兩者的綜合作用。

此外，鋪筑的土路基不密實(shí)，軟土處理不當(dāng)，基導(dǎo)層產(chǎn)生不均勻沉降，形成路面開裂；橋梁、涵洞等構(gòu)造物連接處，因基層結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化或施工不當(dāng)造成路面開裂；地震、水毀等天災(zāi)也時(shí)常造成斷裂。這類裂縫的防治是以提高施工質(zhì)量，研究改進(jìn)局部處理及加強(qiáng)抗災(zāi)措施加以解決。

2瀝青路面裂縫的機(jī)理

2.1反射裂縫的機(jī)理

大量研究表明，反射裂縫產(chǎn)生的基本機(jī)理是受拉疲勞、受拉屈服與剪切屈服，在它們的聯(lián)合或單獨(dú)作用下導(dǎo)致產(chǎn)生反射裂縫。

天長(zhǎng)日久的溫度變化引起基層的漲縮，使面層承受拉裂作用引起受拉疲勞，產(chǎn)生裂縫并導(dǎo)致裂縫沿豎向擴(kuò)展到路表。擴(kuò)展速率是由基層溫度變化的幅度、基層板的長(zhǎng)度、基層材料的溫度特性以及面層對(duì)這種疲勞的抵抗性能等因素決定的，這種疲勞作用面層較薄或基層板塊較長(zhǎng)的路面上尤其明顯。

在面層上，由于瀝青混合料導(dǎo)熱性能差，其上、中、下層的溫度變化幅度不同，加之寒冷的氣候及表層與基層的收縮、翹曲聯(lián)合作用，造成溫度變化大的表層產(chǎn)生大的拉應(yīng)變超過所用材料的極限屈服應(yīng)變，在拉力作用下產(chǎn)生裂縫，逐漸向下擴(kuò)展，形成“上寬，下窄”的裂縫，稱為受拉屈服。

基層由于開裂而形成板塊，當(dāng)車輛通過時(shí)，相鄰板塊端部之間的豎向位移差，在面層中引起面層的剪切疲勞導(dǎo)致開裂，在相鄰基層板塊的嵌鎖聯(lián)結(jié)作用完全破壞后，這種剪切疲勞便是裂縫產(chǎn)生的原因。

反射裂縫的擴(kuò)展速度受半剛性基層板長(zhǎng)、基層裂縫率的影響，較小的板長(zhǎng)和增加裂縫率將降低面層屈服破壞。瀝青混合料中的瀝青含量、瀝青等級(jí)、礦料級(jí)配、空隙率以及鋪筑的面層厚度都對(duì)受拉疲勞壽命有影響。

路面結(jié)構(gòu)在外載作用下，應(yīng)力狀況比較復(fù)雜，有關(guān)研究表明：提高半剛性基層材料的斷韌性，可預(yù)防裂縫的產(chǎn)生。采用低模量高變形材料的應(yīng)力吸收薄膜，可有效地防止產(chǎn)生反射裂縫。

2.2溫度裂縫的機(jī)理

調(diào)查研究表明，許多瀝青路面在建成后正式通車前就產(chǎn)生裂縫，不管這些裂縫是哪一類，它們都是由溫度變化所引起的溫度裂縫，不僅與當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境氣候條件有關(guān)，而且還與路面材料特性和路面結(jié)構(gòu)的組合設(shè)計(jì)密切相關(guān)。當(dāng)外界溫度下降，路面材料逐漸變硬，并開始收縮，收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過路面材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，瀝青路面就開裂。由于路面結(jié)構(gòu)寬度有限，收縮受路面結(jié)構(gòu)的相互約束小，所以溫度收縮裂縫主要是橫向的。

較薄的瀝青路面，基層受到較大的溫差作用，基層對(duì)瀝青面層的阻力矩也較大，部分地抵消了裂縫尖端鄰近的拉應(yīng)力，從而使裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度減小，隨著基層溫縮系數(shù)的增大，基層及面層底部的拉應(yīng)力逐漸增大，于是在一定條件下，在瀝青面層底部裂縫的相對(duì)位置處開裂，并向上擴(kuò)展直至貫通面層厚度，當(dāng)基層已經(jīng)開裂，尖端的應(yīng)力集中將加劇上述裂縫的擴(kuò)展。

當(dāng)瀝青層較厚時(shí)，基層受到的溫差作用較小，基層對(duì)面層的摩阻力，不足以抵消由于基層溫縮增大對(duì)瀝青面層裂縫尖端鄰近產(chǎn)生的拉應(yīng)力的增大部分，從而使裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度繼續(xù)增加。

利用有關(guān)理論研究成果，經(jīng)計(jì)算表明：①在我國(guó)東北、華北和西北地區(qū)，日溫差達(dá)15℃~20℃，路表沿路線方向的最大拉應(yīng)力為2~3MPa以上。②在我國(guó)南方地區(qū)，雖在高溫情況下路面開裂較少，但其日溫差也可達(dá)30~40℃，路面結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力亦可高達(dá)1.5MPa。且就路面材料的疲勞壽命而言，作用時(shí)間越長(zhǎng)，即頻率越低，則壽命越短。當(dāng)溫度高時(shí)，其壽命也短，即在高溫情況下，溫度疲勞對(duì)材料的疲勞壽命的影響較之低溫更為嚴(yán)重。

溫度應(yīng)力分析結(jié)果指出，在半剛性基層瀝青路面中，溫度應(yīng)力是導(dǎo)致路面開裂的主要因素。開裂是從路表面往下進(jìn)展，裂縫呈上寬、下窄形式，不僅易在冬季產(chǎn)生，夏季日溫差較大也會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)開裂。合理選擇面層與基層材料，使基層材料的溫縮系數(shù)α在容許的范圍內(nèi)盡量小于面層材料的溫縮系數(shù)α1，則在溫差作用下，基層沿路線方向處于受壓狀態(tài)，半剛性基層通常不會(huì)因溫縮而引起開裂。

3瀝青路面裂縫的預(yù)防——修筑防裂路面

瀝青路面裂縫產(chǎn)生的原因是由多種因素造成的，它的防治自然就成為一個(gè)綜合治理的問題。因此，需要對(duì)瀝青路面裂縫進(jìn)行綜合性防治，修筑防裂路面，進(jìn)行裂縫病害的預(yù)防，在設(shè)計(jì)施工、選用材料中，充分考慮防裂問題，對(duì)根除瀝青面裂縫的發(fā)生有著重要意義。

3.1防裂路面的設(shè)計(jì)

3.1.1面層防裂厚度的確定

由機(jī)理分析可知，反射裂縫明顯地受瀝青面層厚度的影響，厚度超過150mm的面層可以有效地防止受拉疲勞產(chǎn)生的裂縫，還可以降低車輛荷載引起的剪應(yīng)力。國(guó)外資料介紹，在貧混凝土上鋪筑10cm的瀝青面層時(shí)，在形成反射裂縫前可累計(jì)通過標(biāo)準(zhǔn)軸載（8.2t）10×10次，如瀝青面層加厚到15cm，則可通過20×10次，如瀝青面層加厚到l7.5cm，則可放心使用。加鋪層厚為5cm時(shí)，使用4年后裂縫全部反射，厚10cm時(shí)有95%反射，厚15cm時(shí)只有24%的裂縫反射，但過分地增大瀝青面層的厚度，會(huì)在經(jīng)濟(jì)上造成浪費(fèi)。

3.1.2防裂對(duì)瀝青混凝土配合比的要求

對(duì)受拉疲勞開裂的研究表明，瀝青用量從4.2%增加到6.2%，可以使以25m板長(zhǎng)為基層的密級(jí)配瀝青碎石路面的疲勞壽命由10年提高到45年。

空隙率對(duì)面層的疲勞壽命有很大影響，這是由于疲勞裂縫是通過空隙的結(jié)合而擴(kuò)展的，良好的壓實(shí)不僅可以推遲裂縫的擴(kuò)展，而且還可以減輕瀝青在路面使用期限內(nèi)硬化。當(dāng)空隙率從11%降至3%時(shí)，針入度為100的密級(jí)瀝青碎石路面的抗疲勞壽命會(huì)增加4倍。開級(jí)配瀝青混合料具有較高的空隙率，因而其抗拉能力比較低。用這種材料進(jìn)行試驗(yàn)表明，其疲勞壽命比密級(jí)配混合料要縮短2.5倍。

3.1.3設(shè)計(jì)應(yīng)力吸收層

由機(jī)理分析得知，采用應(yīng)力吸收薄膜，對(duì)減緩反射裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，有明顯的效果，可使裂縫處相對(duì)位移產(chǎn)生的應(yīng)力傳到面層時(shí)大為減少（有人研究認(rèn)為可減少到15%），可明顯減弱開裂尖端應(yīng)力的奇異性，降低應(yīng)力強(qiáng)度因子，而吸收薄膜的彈性模量越低，防裂效果越好?？梢姂?yīng)力吸收薄膜應(yīng)選取低模量、高韌性、大變形率的材料為最好。就目前常用的材料而言，土工織物與瀝青橡膠薄膜的彈模都較低，變形率更大，且不存在低溫脆化問題，效果更佳。

3.1.4面層采用碎石瑪蹄脂瀝青混合料（SMA）

碎石瑪蹄瀝青混合料，是一種間斷級(jí)配混合料，4.75mm以上粗集料占70%~75%，礦料骨架空隙率（VMA）達(dá)l7%-19%（0/ll）×7.2%（0/5）（內(nèi)比）以上，礦粉通常為8%~13%，形成瀝青瑪蹄脂膏狀物充填空隙，過量的瀝青用加入纖維來吸收和穩(wěn)定，一般為0.5%~1.5%。國(guó)內(nèi)室內(nèi)研究和試驗(yàn)路觀測(cè)結(jié)果，也證明SMA具有較好的高溫穩(wěn)定和低溫抗裂縫性能，路面不易產(chǎn)生車轍和裂縫，使用壽命比普通瀝青混凝土路面長(zhǎng)1倍，能用于鋪筑更薄的路面，因此十分經(jīng)濟(jì)。

3.2改性瀝青的應(yīng)用

瀝青品質(zhì)的優(yōu)劣是裂縫產(chǎn)生的關(guān)鍵，實(shí)踐證明，防裂采用的優(yōu)質(zhì)瀝青，針入度一般為100~400，其組分（瀝青質(zhì)、油分、膠質(zhì)蠟）適宜，符合環(huán)境的要求，表現(xiàn)出高粘結(jié)力和抗氧化、老化的能力強(qiáng)。因此，改性瀝青的研究和推廣應(yīng)用更具現(xiàn)實(shí)意義。

3.2.1瀝青改性劑的種類

目前，經(jīng)常用到的改性劑的種類有：SBR（橡膠類）；PE（塑料類）；SBS（聚合物）；EVA（共聚物）；金屬皂；聚苯乙烯；SBA（加硫）；CB（碳黑）；GL（復(fù)合型乳化劑）及抗剝離劑（消石灰AST）。

3.2.2常見的改性瀝青及其特點(diǎn)

一般來說，橡膠瀝青的應(yīng)用較多，其路用性能較為理想，在利用形式上，有的用在表層細(xì)料式泥凝土中，或在面層的中上層，多數(shù)使用拌和法來進(jìn)行公路表面維修；采用單層表處時(shí)每平方米灑布量為3.5kg。其中最早的廢膠粉改性是用在渣油中，摻膠粉量為15%~25%。可提高軟化點(diǎn)4~5℃，試驗(yàn)較多的是氯丁橡膠，應(yīng)用最多的為丁苯橡膠，是以母體或膠乳方式，而膠乳現(xiàn)場(chǎng)拌和，工藝簡(jiǎn)單，成本尚能接受，一般摻量為2%~3%。

4復(fù)合式路面的防裂

復(fù)合式路面是用瀝青混凝土鋪筑在舊水泥路面上。反射裂縫的防治亦如前所敘，采取的技術(shù)措施還有：

4.1鋪筑20cm全厚式瀝青混凝土。

4.2在水泥混凝土和瀝青混凝土之間，鋪筑應(yīng)力吸收膜中間層。

4.3采用裂縫固定技術(shù)處理后，再鋪筑三層體系的防裂瀝青混凝土面層。

4.4在原水泥混凝土路面加鋪一層3cm厚的鋼纖維混凝土，再鋪瀝青路面。

5瀝青路面裂縫的維修

瀝青路面裂縫產(chǎn)生后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維修，控制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，以防止路面在早期破壞。選用適宜、經(jīng)濟(jì)可行維修方法，嚴(yán)格工藝操作是維修裂縫的關(guān)鍵。

5.1常用的維修方法

5.1.1灌油修補(bǔ)法

在深秋冬末季節(jié)，將縱橫裂縫清掃干凈，直接用油壺灌入加熱的瀝青油，是一種使用多年的方法。但常出現(xiàn)澆灌的瀝青油涼后進(jìn)入不到縫紋深處，與冷的舊油面粘結(jié)前就輕易被車輪帶走。

5.1.2乳化瀝青稀漿封層

用50%石屑、30%粗砂、20%細(xì)砂混合成符合級(jí)配要求的骨料，按油石比8%~12%摻入乳化瀝青，2%普通水泥作填充料，形成稀漿，由專用的封層機(jī)鋪在舊油路上，厚度為0.5~1.0cm。鋪筑過程中，乳化瀝青將滲入裂縫中，待其破乳水分蒸發(fā)，達(dá)到修補(bǔ)裂縫的目的，還可使路面平整。

5.1.3瀝青混合料罩面法

這是一種根據(jù)路面裂縫嚴(yán)重情況，結(jié)合路段使用間隔年限，交通量較大，才選用的一種方法。常用標(biāo)準(zhǔn)的中粒式、細(xì)粒式瀝青混凝土做罩面材料，一般厚度在1.5~4.0cm。攤鋪前原路噴灑粘層瀝青。目前已開始應(yīng)用土工布、土工格柵和噴灑橡膠瀝青做為應(yīng)力吸收層，以提高防裂效果。

5.2現(xiàn)場(chǎng)再生維修法

封層、罩面法雖可利用機(jī)械化施工，但對(duì)開裂處的瀝青混合料末能觸動(dòng)，性能得不到改觀，加之覆蓋的厚度有限，裂縫在封層、罩面后常會(huì)在表層復(fù)出對(duì)此，我們把瀝青路面再生利用的原理，應(yīng)用于縫的維修上來，即現(xiàn)場(chǎng)再生維修法。

5.2.1裂縫處的再生

瀝青路面再生利用技術(shù)，目前已普遍應(yīng)用。就現(xiàn)場(chǎng)再生利用來講，首先是用再生系列設(shè)備，將舊油面加熱至混凝土融化松散，加入再生劑、一定數(shù)量的瀝青和骨料，就地拌和成新的瀝青混合料，經(jīng)攤鋪碾壓成性能較好的路面。裂縫的再生維修是先用已研制成的輕便型路面加熱器，在裂縫處寬5-10cm范圍內(nèi)，加熱數(shù)分鐘后，約1m長(zhǎng)的裂縫處混凝土便可變軟，縫深則加熱時(shí)間長(zhǎng)，此時(shí)，用油壺倒入適量熱瀝青，摻入少量砂子或石屑，人工就地?zé)岚?，使裂縫處自上到下左右兩邊形成含油量較大的新混合料，找平撒砂養(yǎng)護(hù)。這樣處理過后的裂縫含油量大而且柔軟，可吸收各種因素引起的應(yīng)力，試驗(yàn)證明，這種方法可消除裂縫，人工操作，無需大型設(shè)備，是代替?zhèn)鹘y(tǒng)灌油縫的好方法。

5.2.2大面積裂縫油面的再生

對(duì)于裂縫多的路段，用加熱車對(duì)舊油面實(shí)施兩次加熱，使表面裂縫深處全部融化變軟，噴灑一定數(shù)量的再生劑和稀瀝青與摻入的適量骨料實(shí)施就地拌和或用再生機(jī)或用銑刨機(jī)或用人工，然后再進(jìn)行碾壓成型。有的是將松散裂縫的舊油面，趁夏季高溫刨出，堆成小堆或加熱融化或人工破碎或利用溶化劑粉碎，重新加瀝青、骨料拌和后，就近攤鋪碾壓，由于改變了裂縫處的瀝青混凝土性能，從而達(dá)到消除裂縫的目的。

6結(jié)語

瀝青路面裂縫采取綜合防治，是消除這一病害的有效途徑，設(shè)計(jì)防裂厚度、防裂混合料配比和增設(shè)應(yīng)力吸收層以及應(yīng)用改性瀝青，以消除裂縫的產(chǎn)生。

裂縫一旦出現(xiàn)應(yīng)及早治理以防發(fā)展，維修的方法有灌油法、封層罩面法及現(xiàn)場(chǎng)再生法，而以現(xiàn)場(chǎng)再生維修效果為佳。

參考文獻(xiàn)

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