沥青加铺层反射裂缝形成机理研究

张正亚,张娇娜,李 尤,赵远龙

(武汉工业学院交通研究所,湖北武汉 430023)

沥青加铺层反射裂缝形成机理研究

张正亚,张娇娜,李 尤,赵远龙

(武汉工业学院交通研究所,湖北武汉 430023)

反射裂缝是旧水泥混凝土路面沥青加铺路面的主要病害之一,直接影响了路面的使用功能和使用寿命。反射裂缝导致面层开裂、剥落,路面水沿裂缝下渗,使路面发生损坏。因此延长旧水泥路面沥青加铺层的使用寿命,减少沥青路面的反射裂缝是沥青加铺层设计面临的主要问题。本文在深入分析反射裂缝形成机理的基础上,提出了反射裂缝的预防及治理措施。

反射裂缝;旧水泥砼路面;形成机理

在旧水泥砼路面上进行沥青加铺被公认为是一种可行且有效的恢复路面使用性能的措施,加铺沥青面层后,原有水泥混凝土路面和新铺沥青层形成的复合结构,不仅材料性能差异大,温度变化对其影响也存在较大差异,由于旧混凝土路面板上存在接缝和裂缝等路面病害,使得沥青加铺层极易在相应位置产生反射裂缝。

反射裂缝对于沥青加铺面层性能直接危害不大,但反射裂缝可以成为路面水分进入路面结构的通道,路表水可以沿裂缝不断进入路面结构,破坏路面基层甚至使路基软化,导致路面承载力下降,产生唧浆、错台、网裂等病害,进而加速路面结构破坏。反射裂缝是旧水泥砼路面沥青加铺面层的主要病害,是加铺层设计中所面临的一大难题[1]。

1 反射裂缝的分类

沥青混凝土路面的裂缝形式较为复杂。广义的反射裂缝从其裂缝扩展路径上分为反射裂缝和对应裂缝两种,从其形成的主要原因可分为温度型反射裂缝和荷载型反射裂缝[2]。按照沥青混凝土路面开裂的原因,可以把反射裂缝分两大类,即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。沥青混凝土面层上的非荷载型裂缝主要是由温度引起的。

2 反射裂缝的形成机理

对反射裂缝形成机理的认识直接关系到反射裂缝的防治和处治措施的针对性和有效性,各国研究人员对反射裂缝的形成机理进行了很多的调查和试验研究,做了很多有益探索,一般认为,反射裂缝形成的过程可分为两个阶段：反射裂缝的产生阶段和反射裂缝的扩展阶段。裂缝的产生阶段对应于沥青混合料的疲劳规律;裂缝的扩展阶段对应于断裂力学中裂缝的疲劳扩展规律[3]。

2.1 反射裂缝的产生

反射裂缝的产生和发展是由于原水泥路面接缝或裂缝处不能很好地传递拉应力或剪应力,当接缝或裂缝两侧的路面发生移动时,在接缝或裂缝顶面的沥青层中产生应力集中,从而形成反射裂缝,而水泥路面的移动是温度变化、行驶车辆以及两者综合作用的结果,根据形成反射裂缝的原因,通常把温度变化引起的反射裂缝称为温度型反射裂缝,把行车荷载引起的反射裂缝称为荷载型反射裂缝。

2.1.1 温度型反射裂缝

沥青路面的温度应力不仅是时间 t的函数,也是温度 T的函数,而抗拉强度σR也是应力作用时间 t和路面温度 T的函数。抗拉强度σR会随应力作用时间的增加而减少,随着路面温度的下降而逐渐增大,一般在 15—20之间达到最大值,此后又缓慢下降。故随时间 t和温度 T变化的沥青路面温度应力和抗拉强度可分别记为σ(t,T)和σR(t,T),则当温度应力σ(t,T)达到抗拉强度σR(t,T)时,沥青路面就会产生开裂,即

或

满足其中任一种开裂模式,均会导致沥青路面产生温度裂缝见图1和图2。

图1 沥青路面温度裂缝开裂模式一

图2 沥青路面温度裂缝开裂模式二

温度型反射裂缝有两种。在原水泥路面上铺厚沥青面层后,在冬季突然降温过程中,老路的裂缝会由于温度收缩而继续拉开,它将给也在产生温度收缩的新铺沥青面层一个附加拉应力,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。

另外一种裂缝主要发生在昼夜温差比较大的地方,在开裂水泥路面上铺薄沥青面层情况下,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。

2.1.2 荷载型反射裂缝

当行车荷载驶经接缝且沥青面层较薄时,由于在面层中造成两次剪切效应,面层与水泥板之间首先因竖向拉应力不足而产生竖向拉开,使得面层中的最大应力点出现在距接缝一定距离处的沥青面层底面,并引发反射裂缝的产生和发展,由此造成接缝的“双裂缝反射”现象。

式中：τ——车辆荷载作用时,在某一面上产生的剪应力;

c——沥青混合料的粘聚力;

σ——车辆荷载产生的正应力;

φ——沥青混合料的内摩阻角。

2.2 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,即反射裂缝在面层厚度方向上的纵向扩展和其在表面的横向扩展。

依据断裂力学的分类,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,裂缝产生在加铺面层或面层的顶面和底面,而后向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面层结构时,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。

反射裂缝发展较为缓慢,一般不可能在瞬间贯穿整个路面宽度的,除非在应力作用时,裂缝的长度已经等于或大于相对于整个路面宽度的临界长度,较为合理的发展过程是裂缝首先在面层表面某些位置产生,然后再向两侧扩展。一般情况下,反射裂缝多出现在轮迹处,温度对反射裂缝的影响在整个路面宽度内都是相同的,而行车荷载则是以一定的频率分布在行车道上。与面层开裂有关的问题是环境因素的负效应,反射裂缝出现后,水分的浸入,氧化以及行车荷载的反复作用,加速了反射裂缝的扩展。

3 预防反射裂缝的措施

3.1 设置中间层

设置中间层的思路是采取各种措施,阻止裂缝向罩面反射。根据反射裂缝形成的机理,采取以下技术措施。

1)设置大粒径透水性沥青碎石联接层。在水泥砼与沥青罩面层间设置大粒径透水性沥青碎石厚层,这种混合料的集料最大粒径达 4—5 cm,所含细集料极少,集料颗粒间嵌挤良好,沥青含量在1.5%—2.5%,因此,有良好的抗变形能力。

2)设置应力吸收薄膜中间层或置防裂层。SAM I是一层柔软的应力吸收层,一般是薄层改性沥青或沥青橡胶。设置 SAM I的目的是吸收下承层的水平位移导致的高应力,阻止下层裂缝尖端延伸至罩面层,可以延缓裂缝的产生,同时形成的富油层起到较好的防渗水作用,但不能完全防止发生反射裂缝。在旧水泥混凝土路面与沥青加铺层之间设置防裂层,可以使沥青层底面应力或应变因离开应力集中的接缝或裂缝端部而减低,同时也改变了加铺层的抗拉和抗剪能力,防治反射裂缝。

3.2 使用新型沥青混合料

在沥青混合料中掺加聚丙烯或聚脂合成纤维,增加混合料的抗拉强度,在层间阻止裂缝的反射。这种混合料能通过特制的裂缝反射试验机测试其在轮载作用下的断裂特性,却不能获得其对温度应力的影响。橡胶沥青是采用高剂量的废橡胶粉,以沥青作为橡胶分散剂制成的一种新型结合料。将砂石骨料加入橡胶沥青制成沥青混合料,铺于路面,其热稳定性及防裂性很好。

乳化沥青进行稀浆封层,是用细粒式的级配石料或砂作骨料,以乳化沥青为粘结料,加填料后摊铺成沥青表处薄层。它具有施工快、密实度高、黏附力强、经济效益好等优点,可以更好地减少反射裂缝的产生。

采用改性沥青,合适的加铺层厚度,以 7—10 cm为宜。增加沥青加铺层的厚度,是减少反射裂缝最常见也是一种行之有效的方法。随着沥青加铺层厚度的增加,裂缝尖端应力强度因子逐渐减小[4]。增加沥青加铺层的厚度,一方面可以减少旧路面结构的温度变化,降低接缝处沥青加铺层的温度拉 (弯拉)应力,另一方面可以增加路面结构的弯曲刚度,降低接缝处的弯沉及弯沉差,减少加铺层的剪切应力。同时,对于较厚的加铺层来说,裂缝由加铺层底面扩展到顶面需要经历较长的距离与时间,也即可以延长其使用寿命。

3.3 裂缝和通缝的修补

表面是板块表面产生不贯穿板厚的浅裂缝,这种裂缝不影响板块的承载力。宽度小于 5mm的裂缝,可将缝凿成 5mm宽,深至无裂缝处的“V”字型,用压缩空气吹净缝内杂物,用水泥或沥青砂灌缝;宽度大于 5mm的裂缝,宜用高强度细石混凝修补,用钢丝刷刷去松动的混凝土碎块,然后用细石拌制的混凝土混合料修补。对破损较浅、较窄的路面,在凿除一定厚度后,用砼填平;对破损较深和较宽的路面,先用切割机切除损坏部分,然后浇筑同标号砼;对发生错台或网状开裂的面板,整板凿除后,重新夯实路基及基层,浇筑同标号砼;对板脱空、弯沉较大及不均匀沉陷的部位,钻穿面板后,用水泥浆高压灌注处理。

通缝采用沥青砂、沥青玛蹄脂直接灌缝,方法比较简单,但不能有效防止加铺层的反射裂缝。为了减少通缝的危害,应将通缝切除,吹除杂物并用水冲洗干净,宽度较小的裂缝可直接灌入聚氯乙烯胶泥或其它防水材料,宽度较大的裂缝应用水泥混凝土进行修补。并在有裂缝表面涂刷黏层油,防止雨水渗入土基,使新旧面层结合紧密。

4 结束语

反射裂缝是沥青加铺层改造旧水泥混凝土路面后易出现的病害,对沥青加铺层的使用功能和寿命有着直接的影响,通过分析反射裂缝的产生机理,采取相应经济合理的处治措施,可以大幅度减少反射裂缝病害在旧水泥混凝土路面沥青加铺层出现,延长路面的使用功能和寿命。

[1] 陈贵锋.高等级公路沥青路面反射裂缝的分析与防治[J].重庆交通学院学报,2003(3).

[2] 范松涛,魏晓芳.沥青混凝土路面反射裂缝产生机理及其常用防止对策[J].黑龙江交通科技,2003(12).

[3] 郑渊,聂忆华.水泥砼加铺沥青罩面反射裂缝预防和延缓技术探讨[J].公路与汽运,2004(4).

[4] 杨德生.旧水泥混凝土路面加铺沥青层防止反射裂缝常用措施[J].华东公路,2008(1).

Study on asphalt overlay reflective crack formation mechanis m

ZHANG Zheng-ya,ZHANG Jiao-na,LI You,ZHAO Yuan-long
(Transportation Research Institute,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)

Reflective crack is one of major damage that the old concrete pavement has after restored by adding asphalt overlay and affects directly function and service life of road usage.Reflective crack caused surface cracking,spalling,surface water infiltrating along the seam,so that the road was damaged.Therefore,to extend the old concrete pavement service life of asphalt overlay and reducie reflective cracks in asphalt pavement are primary problems that designer faces.Based on in-depth analysis of reflective crack formation mechanism,this paper gives reflective crack preventive and curative measures.

reflective crack;old concrete pavement;for mation mechanis m

U 416.217

A

1009-4881(2010)01-0067-03

10.3969/j.issn.1009-4881.2010.01.019

2009-09-22.

张正亚 (1969-),男,讲师,博士研究生,E-mail：zhangin1021@sina.com.