水泥路面沥青加铺层的裂缝研究★

乔 唤 小

(太原市市政工程总公司，山西 太原　030002)

1　概述

由于水泥路面具有稳定性好、载荷扩展能力强、刚性大以及使用寿命很长等优点，成为许多高等级交通道路上的广泛采用的一种路面结构，同时也广泛应用于重型道路交通。但是，随着时间的推移和交通载荷不断增强，早期的水泥路面均已出现不同程度的病害，影响了正常交通运输服务，需要对水泥路面进行维护与维修。在原有水泥路面添加沥青加铺层能够有效改善原有水泥路面的行车状况，并且施工成本低、对正常交通影响小，已经成为国内外维修水泥路面普遍采用的技术措施。

虽然在原有水泥路面加注沥青加铺层能够提高路面使用寿命，改善交通状况，但是其技术复杂程度却比直接铺设沥青路面要复杂，并且后续出现病害的概率也会远远大于直接铺设沥青路面，显然其使用寿命也短于新沥青路面。影响水泥路面沥青加铺层正常使用和降低其使用寿命的主要病害就是路面裂缝。这种裂缝往往难以有效彻底根除，一直是国内外道路交通研究者关注的重点问题。

2　路面加铺层裂缝形成机理

从力学分析角度，分析路面加铺层裂缝的方法可以包括两类：一阶段断裂力学方法和两阶段断裂力学方法。一阶段断裂力学方法首先将水泥路面加铺层的沥青混凝土看作是一种具有初始缺陷的建筑材料；然后将初始缺陷作为裂缝的初始长度，这样在车辆载荷的不断作用下，裂缝就会从微观发展为肉眼可辨识的宏观，进而严重影响水泥路面加铺层的沥青结构。两阶段断裂力学方法将路面加铺层的沥青混凝土看作是缺陷材料考虑，但将路面裂缝的形成过程分为两个阶段：启裂阶段和裂缝扩展阶段。

2.1　反射裂缝的成因

水泥路面加铺层的沥青裂缝形成大致可以分为两种：载荷型裂缝和非载荷型裂缝。其中非载荷型裂缝中最主要的是温度型裂缝。温度型裂缝包括由温度和干缩引起的裂缝。

1)温度型裂缝。

道路交通环境的变换是造成道路路面裂缝的主要原因之一，其中起到主要作用的就是温度的变化。由于温度的变化会引起水泥路面沥青加铺层出现两种变形：第一种是一年四季的温度变化影响了水泥路面沥青加铺层的接缝，接缝随着温度的变高和变低出现收缩和扩张，最终引发路面裂缝。例如，在冬季比较寒冷时，原有水泥路面混凝土就会出现收缩变形，导致路面接缝处的宽度变大，再加上旧有水泥路面与新加沥青加铺层之间的粘结力会带动加铺层收缩。这样就会造成接缝处出现集中应力，一旦应力超出的水泥路面沥青加铺层的强度承受限度后，沥青加铺层就会出现裂缝。由温度引发的第二种裂缝是昼夜温差引发的，这是由于不同材料的热膨胀系数不同，而昼夜温差导致水泥路面沥青加铺层中的温度分布不均匀，沥青加铺层出现不一致的收缩和翘曲而引起加铺层裂缝。

2)荷载型裂缝。

不但环境温度会影响水泥路面沥青加铺层结构稳定性引发裂缝，道路交通载荷也是引发水泥路面沥青加铺层裂缝的重要因素。由道路交通载荷引发的沥青路面加铺层裂缝主要是剪切型发射裂缝，下面简要阐述其形成原因。沥青加铺层是后续加装到原有水泥路面上的，而原有水泥混凝土面板中不可避免地存在接缝或裂缝，加铺完沥青加铺层后，当道路交通载荷作用到接缝或裂缝处时，原有水泥混凝土板就率先出现向下弯曲，随着路面载荷的驶离，弯曲回复。长期的弯曲与回复就会导致接缝或裂缝两侧的板端出现移位偏差，此时接缝或裂缝上方的新加沥青加铺层就要经受较大的剪切应力。同样，当剪切应力超出沥青加铺层的强度限制后，接缝或裂缝处就会出现路面裂缝。

2.2　裂缝的扩展

水泥路面沥青加铺层出现裂缝后，在温度和载荷的不断作用下，裂缝会不断横向和纵向扩展，一直到达加铺层表面。根据裂缝受到的不同载荷作用，可以将裂缝变形的形式分为三类：张开型、剪切型和撕开型。

1)张开型。

张开型是指在应力作用下，裂缝产生张开位移形成裂缝扩展。张开型扩展的主要特点是裂缝的上表面与下表面沿着应力方向的位移不连续。根据水泥路面沥青加铺层裂缝的成因分析可知，张开型模式通常对应于由温度导致的路面裂缝。此种裂缝早期出现于面层底部，在应力作用下，逐渐扩展到沥青加铺层的表面。

2)剪切型。

剪切型是指在平行于裂缝面而与裂缝尖端线垂直方向的剪应力作用下，裂缝沿着剪切力的方向出现位移而形成的一种裂缝扩展。结合水泥路面沥青加铺层裂缝的成因分析可知，与剪切型裂缝扩展相对应的是载荷型裂缝。该类裂缝扩展通常出现在沥青加铺层的底部，这是因为当出现正载荷时，沥青加铺层裂缝会向上垂直扩展；而如果出现的偏载荷，沥青加铺层裂缝会沿斜45°向上扩展。

3)撕开型。

撕开型是指在平行于裂缝面而与裂缝尖端线垂直方向的切应力作用下，裂缝出现沿着裂缝面外，也就是沿着切应力方向的相对滑动而形成的一种裂缝扩展。与撕开型裂缝扩展相对的裂缝成因很少。

3　防治路面加铺层裂缝措施

3.1　设置土工合成材料

在原有水泥路面混凝土和沥青加铺层之间铺设土工合成材料能够显著降低沥青加铺层出现的概率。常用的土工合成材料包括土工布、塑料格栅以及玻纤格栅等。土工合成材料的优点是能够有效抵御变形，承受住水平方向上的应力，但其在垂直方向的受力刚度较小，不能有效抵抗剪切力。下面以玻纤格栅材料为例介绍土工合成材料抗沥青加铺层裂缝的施工过程。

玻纤格栅是一种沥青加铺层施工过程中十分常用的土工合成材料。其特点是抗拉强度高、延伸率小、无蠕变、抗老化、耐腐蚀、高温稳定性好、与沥青混合料的相容性好。玻纤格栅能够缓冲沥青加铺层与水泥路面混凝土之间的应力，有效隔离水泥接缝因温度变化而导致的突变，改善了加铺层的应力分布，降低了应力突变对沥青加铺层的影响与破坏。因此，在水泥路面与沥青加铺层之间铺设玻纤格栅能够延缓由于水泥路面接缝处应力变化引发的沥青加铺层裂缝。

3.2　旧水泥板块的修补与加固

在沥青加铺层施工之间，对原有水泥混凝土路面进行病害修补。特别是对于严重破碎的板块进行加注与补板，对接缝与裂缝进行灌缝施工。此外，还要对板块间弯沉差较大的板块，有错台、裂缝等病害板块进行注浆稳固处理等。这样可以显著降低由于水泥路面缺陷而引发的沥青加铺层裂缝。这是因为修补与加固旧有水泥板块可以降低板块在载荷作用下的竖向变形，为沥青加铺层提供一个相对稳定的施工基础，有效降低沥青加铺层层中的剪切应力和弯拉应力，可以延缓裂缝发生。

3.3　适当增加沥青加铺层厚度

在水泥路面沥青加铺层施工过程中，适当增加沥青加铺层厚度可以起到延缓路面裂缝的作用。这是因为沥青加铺层的厚度增加后，裂缝由面层底部扩展到沥青加铺层表面的时间就被延长了。不但如此，路面结构的弯曲刚度也随之增加了，可以有效降低接缝处的弯沉量和弯沉差。此外，依据断裂力学原理，沥青加铺层厚度的增加可以明显减少裂缝尖端应力，所以起到延长沥青加铺层寿命的作用。

3.4　锯切横缝

锯切横缝是一种控制沥青加铺层开裂，而不是彻底消除沥青加铺层裂缝的方法。其施工过程就是在沥青加铺层上，对旧有水泥混凝土面层的横缝锯切出新的横缝，并且尽快填入封缝料，切记保证接缝密封，防止异物进入，特别是要防止水进入。锯切横缝可以有效释放加铺层内因温度收缩受阻产生压拉应力，起到控制裂缝随意出现的作用。但在施工过程中要注意接缝的养护工作。此种处理措施原有水泥混凝土的结构良好，且接缝处的弯量较小的路面。大量实践结果表明，锯切横缝对沥青加铺层裂缝的控制效果很好。

4　结语

随着我国的水泥路面沥青加铺层的广泛应用，沥青加铺层裂缝已经成为影响道路使用寿命的首要问题。文中分析了沥青加铺层裂缝的形成机理，包括裂缝成因和扩展类型，结合裂缝形成机理，提出了有针对性的防治措施。具体是通过设置土工合成材料、修补与加固旧水泥板块、锯切横缝等措施限制沥青加铺层裂缝，从而增加沥青加铺层的使用寿命。

参考文献：

[1]王芳,刘凯,王选仓,等.旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构可靠性分析[J].公路交通科技,2015,32(3):1-6,19.

[2]原宝盛,彭余华,高明明.旧水泥混凝土路面沥青加铺层荷载应力分析[J].中外公路,2013,33(2):55-59.

[3]苏卫国,李晓华.旧板破裂尺度对沥青加铺层反射裂缝及旧板回弹模量实测值影响分析[J].公路交通科技,2010,27(8):17-21.

[4]郑桂兰,马庆雷,潘秀华.旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构设计方法研究[J].山东大学学报(工学版),2007(4):93-97.

[5]杨斌,陈拴发,王秉纲.移动荷载作用下沥青加铺层结构动力响应分析[J].广西工学院学报,2006(2):9-12,17.