沥青路面裂纹的形成机理及扩展行为

吴 博

（邢台市公路工程质量监督站，河北 邢台 054000）

0 引言

邢台地区的公路交通网络较完善，主要交通干线有106国道、107国道、308国道、邢清线、邢德线、邢左线、京珠高速公路等。大部分公路采取的是次高级或高级沥青路面形式。本文以邢清线为例，对沥青路面裂纹形成机理及扩展行为进行研究。选择邢清公路桩号为K32+500~K35+700，全长3 200m的范围，作为研究试验段。在该试验段内，公路路面宽9m，两侧各设置1m土路肩，采取沥青油面，属于二级公路。在对邢清公路试验段检查时，发现该线路中的沥青路面存在较多破损，对该沥青路面裂缝的形成机理进行了研究。

1 沥青路面裂纹的破损形式及其形成机理分析

1.1 沥青路面裂缝的破损形式

裂缝属于较常见的影响沥青路面质量结构的破损形式。邢清公路裂缝较为常见。按裂缝的表现形式，可分为横向裂缝、纵向裂缝与网状裂缝三种；按裂缝的成因，可分为荷载裂缝和非荷载裂缝。荷载裂缝是指，在车辆通行过程中，路面承载力或强度不足时，导致路面无法承担车辆荷载，或因路面结构设计不当、施工质量较差或车辆超载等，导致沥青面层拉应力超过其疲劳程度，最终导致沥青路面断裂。在车辆荷载影响下，裂缝逐渐扩展。非荷载裂缝成因较多，如反射性裂缝、温缩裂缝等，主要以横向裂缝为主。

（1）纵向裂缝

纵向裂缝主要表现为沿行车方向所产生的单根裂缝，一般纵向裂缝方向与路面中心线基本保持平行。若路基压实不足，在外部荷载作用下，路基会出现不均匀沉降问题。在进行沥青混合料摊铺作业时，缺乏对纵向接缝的有效处理，导致路面过早渗水或路面压实度不足等问题，在外部荷载的影响下，则会出现纵向裂缝。公路施工过程中，地基与填土在横向上的不均匀性是无法避免的，也就是说纵向裂缝的产生是无法避免的，但如果纵向裂缝产生过早，且裂缝发展较快，则会对公路使用功能及使用寿命造成严重影响。

（2）横向裂缝

横向裂缝是指与路面行车方向大致垂直分布的单根裂缝，引起横向裂缝的原因较多，如地基不均匀沉降，横向接缝处理不当等。大部分沥青路面的横向裂缝属于温度裂缝，裂缝多是由沥青面层表面开裂，并不断向路基扩展而形成的。邢清公路中，可见横向裂缝多贯穿整个路面宽度，且每隔一段距离就会有一条裂缝，间距多在6~10m之间。

（3）反射裂缝

反射裂缝是指沥青路面下铺层跨裂缝，或接缝位置施加给沥青面层应力超过材料抗拉强度，而引起沥青面层底面出现开裂。这类裂缝不断向上扩展，并穿透面层，并最终反应在表面。

（4）龟裂

沥青路面龟裂又被称为网裂，指裂缝与裂缝间相互连接形成的一种不规则裂缝。龟裂多在车辆荷载作用下，路面产生较大的挠度及变形，路面材料在疲劳破坏下产生的一种裂缝，也被称为疲劳裂缝。邢清公路中，龟裂主要表现为局部龟裂，多分布于行车道上。

（5）块裂

沥青面层宽度较大时，产生横向裂缝的同时会伴随着纵向裂缝的出现，并形成块裂现象。块裂多表现为不规则、大块、多边形的裂缝。块裂产生的主要原因是沥青混合料中应用了大量的亲水性集料，导致沥青加速老化，弹性较差，在车辆荷载影响下产生裂缝。

（6）滑移裂缝

滑移裂缝是在车辆加速、转弯、刹车过程中突然增加的水平力，并作用于沥青路面，在路面上形成一种裂缝，这种裂缝多表现为新月状或U形。邢清公路中，在车辆刹车、加速与转弯区域，多存在滑移裂缝。

1.2 沥青路面裂缝的形成机理

1.2.1 纵向裂缝的形成机理

产生沥青路面纵向裂缝的原因较多，形成机理为：在沥青公路的施工过程中，换填土没有碾压密实或换填土两侧密实度不均匀，而引起公路路基不均匀沉陷等并产生裂缝；在进行公路改建时，新施工区域与旧公路在相接位置缺乏科学有效处理，引起路基不均匀沉陷等；尤其在公路挖填结合位置缺乏有效的处理，导致压实度不足等，在沉陷作用下产生纵向裂缝。

在雨水的侵蚀下，公路路基承载力降低，换填土含水量较大，冻胀作用下形成路面裂缝；长期的车辆荷载，引起纵向裂缝。沥青路面中还有一种荷载型纵向裂缝，称为沥青路面向下扩展裂纹，这种裂缝由沥青路面表面向沥青面层内部扩展。沥青路面向下扩展裂纹形成机理为：车辆超载时在车辆轮胎作用下产生表面拉应力；沥青路面表面温度较高，导致沥青路面面层刚度较低，容易出现车辙，引起纵向裂缝；公路应用的沥青胶结物逐渐硬化或老化；沥青混合料在施工过程中应用的集料质量偏低，出现离析现象，或沥青路面压实不均匀。

1.2.2 横向裂缝的形成机理

横向裂缝形成机理为：公路路基土体不均匀沉降引起横向裂缝；刚性路面接缝或半刚性路基裂缝影响下产生横向裂缝；沥青面层在自然环境影响下出现老化，降低其极限拉伸，并在外界荷载下引起裂缝；温度变化是沥青路面横向裂缝产生的重要原因。温度裂缝主要为低温收缩或基层收缩引起。如果在沥青路面的施工过程中，外界温度变化较大，在沥青混凝土内外部温度应力作用下，会引起裂缝问题。温度裂缝首先出现在沥青混合料抗拉强度的薄弱点，沥青公路面层出现裂缝后，裂缝逐渐发展并最终贯彻整个沥青面层。沥青路面低温抗裂性能直接影响着沥青公路施工质量。

1.2.3 反射裂缝的形成机理

反射裂缝是沥青路面下铺层跨裂缝或接缝位置施加给沥青面层应力超过材料抗拉强度而引起的裂缝问题，其形成机理为：在温度发生变化时，沥青接缝或裂缝位置会产生拉伸应力，如拉伸应力超出沥青面层极限拉伸值，则会引起裂缝问题，在车辆荷载下引起裂缝扩展。在温度应力或交通荷载作用下引起的剪切疲劳与受拉疲劳是反射裂缝的主要形成机理。反射裂缝扩展速率与公路基层裂缝率及半刚性基层板长存在着紧密联系。公路施工中应用的沥青等级、矿料粒径、孔隙率、沥青面层厚度等因素，均会使裂缝路面疲劳而影响其使用寿命。提高公路基层材料柔韧性是预防反射裂缝的有效措施。

1.2.4 龟裂的形成机理

公路沥青路面老化、路面整体强度不足，在车辆荷载影响下产生裂缝是龟裂形成的主要机理。龟裂属于相互交错疲劳的裂缝。龟裂刚出现时，多表现为沿行车轮迹出现纵向裂缝，纵向裂缝逐渐发展出斜向连接缝与横向连接缝，最终形成网状裂缝。龟裂多是因公路沥青老化，沥青松弛性能不足，在荷载反复作用下而引起；公路基层的排水设计较差，低温作用下导致沥青混合料变脆，也是引起龟裂的原因之一。邢清公路中存在局部龟裂的问题，雨季及春融时，龟裂问题较严重。

1.2.5 块状裂缝的形成机理

沥青基层与面层集料离析、沥青路面压实不均、路面结构设计不合理、沥青混凝土老化或低温作用等，是引起块状裂缝形成的重要因素。如荷载拉应力或低温拉应力超过沥青混凝土极限抗拉强度时，会引起块状裂缝。公路施工过程中，如未按照施工规范进行操作，引起公路基层与面层厚度及压实度不符合设计要求，在车辆荷载作用下会产生块状裂缝。

1.2.6 滑移裂缝的形成机理

滑移裂缝多是因沥青面层与基层结合不良引起，如在铺设混凝土下封层前，没有将基层顶面清理，会影响封层与基层黏结力，在车辆荷载下导致卷皮、脱皮等问题；当外力超出沥青混凝土面层抗剪强度及抗拉强度时，沥青面层多会产生滑移裂缝。

2 沥青路面裂纹的扩展行为研究

由于沥青路面长期暴露在自然环境中且受到车辆荷载作用，导致其受荷状态十分复杂。为研究沥青路面结构中存在的表面裂纹及基层底面裂纹问题，应用模拟程序APCPPS2D，建立沥青路面结构分析模型，如图1所示。

图1 沥青路面结构分析模型

选择邢清公路为研究对象，根据实际情况建立分析模型，模型初始表面裂纹长度设计为3cm，初始基层底面裂纹长度设计为5cm，表面裂纹到车辆荷载中心为45cm，设垂直荷载P=0.7MPa，水平荷载值为0.21MPa。模型计算参数及计算表见表1。

表1 模型计算参数表

2.1 荷载作用位置对多裂纹扩展的影响

车辆运行过程中，其荷载作用的位置相对公路沥青路面表面裂纹与基层裂纹位置是不同的，通过计算车辆荷载作用于沥青路面不同表层与基层裂纹位置时其复合型应力强度因子与裂纹起裂角，可知交通荷载在基层底面裂纹正上方位置时，其复合型应力强度值最大。研究发现交通荷载通过裂纹的过程中，其基层裂纹起裂角会在26.015~24.480°间变化，说明荷载对裂纹起裂角存在一定影响。

2.2 面层与基层对裂纹扩展的影响

选择沥青公路面层弹性模量为3 000MPa，基层弹性模型为2 000MPa，进行复合型应力强度因子研究发现，应力强度因子在增加沥青混凝土面层厚度与基层厚度的基础上出现了近似线性减少，说明面层与基层越薄，越容易产生开裂。在荷载及温度应力的共同作用下，容易引起沥青路面表面裂纹及基层底面裂纹，多表现为疲劳开裂。

2.3 面层模量对裂纹扩展的影响

选择16cm面层与25cm基层，基层弹性模量为2 000MPa，研究不同面层模量对裂纹扩展的影响，获得不同面层模量下的裂纹值，如表2所示。

表2 不同面层模量下的裂纹值

研究结果显示，随着弹性模量增加，裂纹应力强度值增加。

2.4 基层模量对裂纹扩展的影响

研究基层模量对裂纹扩展的影响时发现，在基层弹性模量增加的过程中，应力强度因子逐渐降低，并且降低幅度较大。由此可知，如果基层模量较低，沥青路面面层存在裂纹，则容易出现疲劳扩展，引起质量问题。

3 结语

沥青路面是我国主要的公路路面形式，在道路施工中应用十分广泛，但其在公路的运行过程中，容易出现质量问题。裂缝是公路施工及运行中常见的质量问题。本文以邢清公路为研究对象，对沥青路面主要的裂缝类型及其形成机理进行了研究，并应用模拟程序APCPPS2D建立分析模型，对沥青路面裂纹扩展行为进行了分析。在掌握裂纹形成机理及扩展行为的基础上，采取相应措施，可以有效提高公路施工质量及运行效益。

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