城市旧水泥混凝土路面加铺沥青面层裂缝病害研究
2010-01-28彭自强徐一心
彭自强， 李 辉， 徐一心， 李 纲
(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430070；2.武汉市市政工程质量监督站， 湖北 武汉 430010； 3.武汉钢铁股份公司运输部， 湖北 武汉 430081)
近年来，城市旧混凝土路面加铺沥青面层越来越多，特别在水泥混凝土路面较多的南方城市尤为普遍。但经过7年左右的使用期后，路面病害以裂缝类尤为突出，严重影响城市形象以及交通行车质量。在加铺沥青路面病害分析方面，国内对高速公路做的比较多，而城市道路由于其路况复杂，基层多样，交通渠化，行车速度、方向以及行车载重都具有不确定性等因素，其病害因素与高速公路有着很大的区别[5]。
1 项目背景
为了解武汉市加铺路面病害成因， “武汉市城市道路沥青路面病害成因及防治对策研究”项目组通过现场统计得到路面沥青病害的类别与分布规律，并通过路面钻芯取样和室内试验分析，拟提出关于沥青路面设计施工的合理建议，推行先进的技术和工艺。本项研究选择了武汉市洪山路、武珞路、关山大道、解放大道、建设大道、中山大道、白沙洲大桥、长江一桥、长江二桥作为研究对象，下文中编号1～9的路段即为此9条路(无对应关系)。
2 路面调查结果及分析
2.1 各路段各类病害扣分情况
依据《城镇道路养护技术规范CJJ 36-2006》，得到如下各路段扣分值的调查结果(依据病害密度得到扣分值)[2]，见图1～图4。
图1 裂缝类破坏扣分值对比
图2 松散类破坏扣分值对比
图3 变形类破坏扣分值对比
图4 其他类破坏扣分值对比
2.2 数据分析
由图可知，裂缝类病害所占比例最大，也最为普遍，变形类破坏也十分严重，如图3所示。变形类破坏主要是由于交通渠化、行车量大和车速慢引起的车辙破坏。裂缝类病害普遍存在，即使是关山大道，由于其车辆少，路面宽，路面负荷小，且基层大部分为水泥稳定碎石，路况很好，但其仍有少量的线裂病害，洪山路也是如此，基本只有线裂，无其他病害。裂缝类病害成为城市沥青路面中发生率最高的病害类型，且线裂在车载以及温度的影响下应力集中会更加明显，从而进一步发展成为网裂、碎裂、坑槽以及极具破坏力的病害。其普遍性以及严重性值得我们关注与深究。
3 芯样分析
3.1 钻芯取样
现场取芯共102个，观察芯样下基层情况，记录裂缝状况。芯样显示，百分之九十的横向裂缝、纵向裂缝甚至网裂下均存在旧混凝土基层的裂缝或缺陷。几乎所有的病害处基层都可以发现明显的缺陷或损伤，具体见图5～图8。
图5 建设大道横裂处
图6 洪山路线裂处
图7 建设大道横裂处基层
图8 中山大道网裂处基层
在调查的路段中，很多路段在加铺过程中使用了涤纶长丝单面烧毛土工布以及玻纤格栅等防反射裂缝措施；个别路段在旧裂缝中填灌了AC-10沥青砂；其中一段有土工布处理，无其它病害，但也出现了相当频繁的反射裂缝；某段路加铺设计中甚至使用了传力杆以及聚氯乙烯胶泥填缝，但仍然有着严重的裂缝病害。因此，此类措施在防止城市道路反射裂缝中的作用值得商榷。
3.2 强度及水稳性效验
3.2.1强度结果
以上芯样均在病害处取得，在其相应路缘处取得的完好芯样的马歇尔稳定度试验及浸水马歇尔稳定度试验结果如表1和表2。
表 1 芯样马歇尔残留稳定度[3]
注：本试验中为现场路面钻取芯样，非标准试件，因此所得结果均依据JTJ 052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用现场钻取芯样试件高度修正系数后所得的结果，后同。
表2 芯样浸水马歇尔残留稳定度[3]
3.2.2水稳性结果
另外，冻融劈裂残留强度比的试验由于取样离散型的原因，数据的整体趋势不强，但在冻融劈裂的试验中，其强度也与未经冻融的试样相差无几，甚至出现了冻融后试样强度更高的情况。旧路面车载的碾压和剪切作用，路基的不平整性，以及材料的不均匀性均可能是其离散的原因。
3.2.3对比结论
根据《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004，密级配沥青混凝土马歇尔稳定度技术要求如下：高速公路、一级公路不小于8 kN，其他等级公路不小于5 kN；浸水马歇尔试验残留稳定度要求不小于0.8。武汉按照湿润区算[4]，对比室内试验结果显示，经过6～7年的使用，百分之八十的试样仍能满足稳定度以及残留稳定度的要求，特别是对裂缝影响较大的马歇尔稳定度很好的满足了规范要求，试样的水稳性也基本达到标准要求。可见，裂缝的产生以及扩展并非强度和抗水侵蚀能力不达标而引起的。
3.3 油石比
表3显示，在路面设计中，各路段普遍采用了较大的油石比，基本在5.0%左右，增加了路面材料的粘性，对裂缝的产生以及扩展具有一定的抑制作用；对各路段所有样品的上、中、下层毛体积密度分别取平均值，并与设计参数对比可知，密度差异不大(现场取样密度均稍大，原因在于路段经过6年的碾压，密实度会更好)，与设计相符，故本调查中密度并未对病害造成不良影响。
表3 各路面竣工资料相关参数
4 裂缝成因经验分析
4.1 反射裂缝的产生
本次调查显示，武汉市道路裂缝类病害最为普遍；芯样显示，城市旧混凝土路面加铺沥青混凝土面层裂缝下基本都存在混凝土板缝或缺陷，且强度和水稳定性均达标，并未对裂缝的形成和扩展产生不利影响。
关于旧水泥混凝土路面加铺沥青层反射裂缝的产生和扩展，目前学术界已基本形成共识，一般认为交通荷载及温度荷载是引起加铺层反射裂缝的主要因素[5]：温度应力引起反射裂缝的产生，并“参与”了其最初的扩展；荷载应力加速了裂缝的进一步扩展。反射裂缝的产生阶段主要是由于交通荷载、温度应力反复作用导致沥青混凝土在裂缝和接缝处疲劳开裂，是一个疲劳破坏过程。如果基层裂缝反射到面层，并穿过面层出现在路面上时，雨水和其他各种污染物就可能进入路面体，从面层裂缝穿过基层渗入到底基层，使基层和底基层渗水材料强度降低，从而引起路面结构严重破坏[6]。
4.2 断裂力学分析
断裂力学认为，裂缝有三种扩展模式：张开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ型)、撕开型(Ⅲ型)。其中温度应力或板翘曲对反射裂缝的影响模式为张开型；行车荷载对反射裂缝的影响模式主要为滑开型；撕开型的反射裂缝在加铺路面中较少见。
断裂力学中引入应力强度因子来衡量裂纹尖端附近的应力场强度。表达如下(Ⅰ型)：
(1)
其中，σ为远场拉力强度，a为初始裂缝长度。
不难看出，裂缝的初始长度越大，裂缝周围的应力场强度越大。而且依据Paris提出的观点，应力强度因子幅度ΔKⅠ控制着裂纹的扩展速率，即疲劳裂纹扩展速率是由裂纹尖端弹性应力强度因子的变化幅度所控制的。可以证明，旧路面初始损伤的治理以及裂缝的修复对于延长加铺路面疲劳寿命是非常重要的。
当构件的K值达到临界值Kc时，构件失稳断裂。Kc表征了材料阻止裂纹扩展的能力，是材料抵抗断裂的一个韧性指标，称为断裂韧性。引用文献[7]研究成果，断裂韧性Kc与板厚B之间的关系式如下：
(2)
图9 断裂韧性Kc与试件厚度B的关系(Ⅰ型裂纹)
其中，K0c为材料平面应力状态下的断裂韧性；r0为σ外力作用下无限簿板裂纹尖端塑性区域尺寸；μ为材料泊松比。由此可知，Kc随着B的增大而迅速减小，直到满足平面应变条件为止。图9是断裂韧性与试件厚度的定性关系。
因此，增加沥青面层的厚度可能对增强面层的抗裂能力意义不大，且增加罩面层厚度只能延缓剪切型反射裂缝反射的速度，但并不能有效地延缓纯弯拉型反射裂缝反射的速度，也是不经济的[8]。
5 结 论
本次调查路段共长20公里，历时3个月，分别作出9条路的PCI报告；现场钻取芯样102个，基层照片若干，室内试验主要得出强度以及水稳定性的数据。结合经验分析，主要有以下结论：
(1) 裂缝类病害是城市加铺沥青路面中发生率最高的类型，裂缝是沥青加铺罩面层设计中应首要解决的问题；
(2) 基层或旧混凝土的初始缺陷与城市加铺沥青混凝土面层开裂以及扩展有密切联系；线裂在车载以及温度的影响下应力集中会更加明显，且扩展速度快；
(3) 增加罩面层厚度对于防止反射裂缝不经济，意义也不大；土工布以及玻纤格栅等防裂措施应用到了各条路面，但裂缝依然普遍。
综上所述各种致病因素和普遍性程度，总结国内的研究成果以及试用效果和城管局的维修经验，在基层的处理方面主要有以下几点建议：
(1)防止反射裂缝需要在设计施工方案之前做仔细的勘测和研究工作，对于不同地段采取针对性的处理措施，对于破坏严重的地方可以采用整体挖掘重新铺筑基层(素混凝土或水泥稳定土)的做法，这样可以有效防止反射裂缝。
(2)破碎和稳定原有水泥混凝土路面，这样做可以分散混凝土板的温度应变和应力，不至于破坏加铺层。板块破碎成小块，可以减小板的水平位移以及翘曲现象，减少应力集中，吸收车载的冲击动能，从而有效地消降沥青混凝土层的反射裂缝。
(3)基层有破坏的，可以在旧路面下采用灌浆工艺使板处于稳定状态。
(4)应力吸收层也是一种防止反射裂缝的比较好的方法。
[1]沙庆林．高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M]．北京:人民交通出版社，2001.
[2]CJJ 36-2006，城镇道路养护技术规范[S]．
[3]DB 42/T 344-2006，城镇道路沥青路面施工技术及验收规程[S]．
[4]JTJ 052-2000，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S]．
[5]廖卫东．基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究[C]// 中国公路学会第三届全国公路科技创新高层论坛——湖北优秀论文集.北京：人民交通出版社，2006．
[6]仇为波．旧水泥混凝土路面加铺沥青面层防裂机理分析[D]．重庆：重庆交通大学，2008．
[7]赵宝荣.试样厚度对断裂韧性的影响[J].试验技术与试验机，1988，(6)：3-5.
[8]沙庆林，王旭东.水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层的技术研究[J].公路，2002,(11):15-19.
