大庆油田半刚性基层沥青路面裂缝分析及防治

2015-02-10刘庆洋黄子忠

油气田地面工程 2015年9期

关键词：大庆油田刚性面层

刘庆洋黄子忠汤浡

1大庆油田工程有限公司2东北石油大学电子科学学院

大庆油田半刚性基层沥青路面裂缝分析及防治

刘庆洋1黄子忠1汤浡2

1大庆油田工程有限公司2东北石油大学电子科学学院

大庆油田主、次干道路绝大多数是半刚性基层沥青路面，随着油田建设规模的扩大和道路使用年限的增长，许多道路路面已经开裂，有的已经影响到道路的正常使用。沥青路面产生裂缝的原因很复杂，大致可分为温度裂缝、反射裂缝和疲劳裂缝。为减少裂缝可选择性能优良、温度敏感性低的沥青；在半刚性基层上采用沥青混合料作隔温层，减少材料中的温度梯度，从而减少温度应力；选择基层时，应优先选用二灰类基层；在沥青面层和半刚性基层之间设置一层弹性模量低、韧性好的材料作为应力吸收层；面层与基层之间设置级配碎石层；半刚性基层施工时含水率不能太大，要进行良好的养生，沥青面层在半刚性基层尚未开裂之前必须铺筑。对于路面裂缝的成因要引起足够的重视，路面开裂后要及时处理。

油田道路；半刚性基层；沥青路面；裂缝；应力；劲度

大庆油田主、次干道路绝大多数是半刚性基层沥青路面，随着油田建设规模的扩大和道路使用年限的增长，许多道路路面已经开裂，有的已经影响到道路的正常使用。分析半刚性基层沥青路面裂缝产生原因并进行防治对油田道路建设具有重大意义。沥青路面裂缝原因很复杂，大致可分为温度裂缝、反射裂缝和疲劳裂缝。

1 温度裂缝

通常认为，沥青面层的温度裂缝主要有两种形式，一种是由于气温骤降，沥青层内产生的温度应力超过沥青混凝土的抗拉强度造成的开裂。沥青混合料具有良好的应力松弛性能，当温度升降产生变形时一般不会产生过高的温度应力。但当气温骤降时，由于沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的增长，超过混合料的极限拉伸应变，便产生开裂。此类裂缝多从路面表面产生，并向下发展。沥青路面的低温收缩裂缝是寒冷地区沥青路面特有的损坏模式。另一种是温度疲劳裂缝，由于气温的反复升降，导致沥青混合料产生温度应力疲劳，混合料的极限拉伸应变减小，应力松弛性能降低，最后导致路面在并不太大的温度应力下发生开裂。此类裂缝主要发生在温度变化频繁的温和地区，且随着使用年限的延长而不断增多。

大庆油田位于温带大陆性季风气候区，四季明显，温差较大。油田内的沥青路面由于温差引起的开裂现象较多，为了减少温度裂缝，可以采取以下措施：

（1）选择性能优良、温度敏感性低的沥青。为减小沥青的温度敏感性，应选用针入度较大的沥青作面层，也可以用橡胶沥青或聚合物改性沥青在沥青混凝土表面作一封层。

（2）在半刚性基层上采用沥青混合料作隔温层，减少材料中的温度梯度，从而减少温度应力。

（3）半刚性基层完成后，保养期一过应尽快铺筑隔温层或较厚的沥青面层。

（4）选择基层时，应优先选用二灰类基层。水泥稳定碎石的抗温缩能力略差一些，因而适用于日温差变化不大的地区。

（5）采用合理的级配和先进的施工工艺，以提高路面的低温抗裂性能。

2 反射裂缝

半刚性基层属于水硬性材料，在基层铺筑完成后其内部仍在进行的物理化学作用使得基层的强度和刚度不断增长。这类材料的收缩受疲劳特性以及施工条件所限，可能导致基层发生干缩和温缩裂缝，但下卧层与该层摩阻作用产生的约束力抑制了其收缩，因而基层板体将产生拉应力，当这一应力超过基层抗拉应力时板体就会断裂，产生横向裂缝。目前大多数路面结构都是强基薄面型的，较厚的半刚性基层上的沥青面层一般比较薄，半刚性基层开裂后，会引起沥青面层底部应力集中，致使面层底部开裂，之后裂缝不断地向上扩展最终形成反射裂缝。此外当车辆驶过基层裂缝时，沥青面层受到剪切与弯拉作用，行车荷载的反复作用也造成裂缝的产生和发展。显然，反射裂缝的产生首先要归因于半刚性基层的开裂。

从路面结构设计方面保证路面不发生荷载型裂缝是减轻半刚性路面反射裂缝的首要措施。根据力学分析，影响半刚性基层底面拉应力大小的主要因素包括面层厚度、基层厚度、基层的弹性模量和下承层的弹性模量等。设计时要根据交通量，特别是轮荷载和当量轴载及容许弯沉值计算出合理的半刚性基层厚度，同时从施工的可操作性和结构的稳定性考虑，基层最小厚度不宜小于15 cm。如果半刚性基层过薄，容易因承载力不足而产生破坏。因此可通过增加基层厚度来提高路面承载力以减少反射裂缝，但增加厚度不宜过量，因为基层达到一定厚度时，再增加其厚度效果远不如薄时明显，并且不经济。为了减少半刚性基层的反射裂缝，还可以从以下几个方面进行改善：

（1）在沥青面层和半刚性基层之间设置一层弹性模量低、韧性好的材料作为应力吸收层，以吸收半刚性基层裂缝。这是国内外工程实践中应用较多的一项工程措施。

（2）增设土工织物或格栅。土工织物中间层能大幅度增强沥青面层抗裂强度，其对沥青面层底具有箍固作用。

（3）面层与基层之间设置级配碎石层。目前这种方法在国内的应用并不多，但是在其他国家已经广泛应用，而且效果也比较好。

（4）半刚性基层施工时含水率不能太大，要进行良好的养生，沥青面层在半刚性基层尚未开裂之前必须铺筑。

（5）通过半刚性基层材料的合理设计，如调整结合料的用量与比例，增加粗骨料含量并严格设计级配，尽可能地减小其温缩和干缩系数，增加半刚性基层材料的抗裂性能。

3 疲劳裂缝

随着传统的疲劳破坏理论的发展，人们认识到路面的破坏是由于荷载在路面材料中引起的重复加载，疲劳应力超过了路面混合料的抗拉强度而发生的。

道路上的行车也是造成路面结构破损、路基失稳的主要因素。随着交通量的增加、轴载的增大和公路上行车速度的提高，交通荷载的振动特性以及交通参数确定的合理性等交通荷载因素对沥青混凝土路面早期破损的影响是不容忽视的。

沥青路面的疲劳裂缝主要受荷载条件、环境条件及材料性质的影响。荷载条件和环境条件的影响是不可控制的，所以主要关心的是材料性质的影响。国内外的许多试验表明，沥青混合料的劲度是影响疲劳寿命的重要参数。根据试验，在控制加载模式中，疲劳寿命随着混合料劲度的增加而增加，这是因为每次加载产生的应变较小，因此重复作用的次数就多。而在控制应变的加载模式中，疲劳寿命随混合料劲度的增加而降低，这是因为劲度高，每次重复加载的应力就大，疲劳寿命就少。所以一切与劲度模量有关的因素都将直接影响到沥青混合料的疲劳寿命，如沥青用量、种类、稠度等。

沥青混合料的空隙率对疲劳寿命的影响也十分明显，不论是哪种加载模式，降低空隙率都能延长混合料的疲劳寿命，所以一般密级配混合料比开级配混合料有较长的疲劳寿命。此外集料的表面纹理、形状和级配都对混合料的疲劳寿命有一定的影响。

沥青路面的疲劳裂缝主要表现形式为网裂和龟裂。在车轮的长期作用下，网裂或龟裂会顺着公路延伸方向呈狭长带分布。有的局部下沉近似圆形分布，有的路面基层严重下沉呈条状分布。疲劳开裂的裂缝宽度一般在3 mm以上，出现在面积为1 m2以上的网状裂缝上。

轻微龟裂可以不处理。当取芯证明面层龟裂已影响到沥青中面层时，可按3.75 m宽，刨10 cm沥青面层，采用10 cm厚中料式沥青混凝土分层铺筑恢复至罩面前路面高程。铺筑沥青混凝土之前，底面喷黏层油，侧壁涂刷改性沥青聚合物密封材料2～3遍，厚度控制在3 mm。