半刚性基层反射裂缝的成因及典型处置方法

王曦光

(辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015)

1 反射裂缝产生的主要成因

目前，半刚性基层以能够提高的基层强度，减少沥青混合料面层厚度等优点，在我国公路建设尤其是高速公路建设上得到了广泛的应用。然而，由于半刚性基层在温度和湿度发生较大变化时，会产生温缩裂缝和干缩裂缝，产生的这些裂缝在车辆荷载和路面温度的耦合作用下，会使裂缝附近的沥青混凝土层产生较大的应变，最终将沥青混凝土层的底部拉开形成裂缝，然后扩展到路表面，这就是我们所说的反射裂缝。通过对已建成高速公路的调查，发现我国高速公路的反射裂缝一般在建成后一到两年出现，并且反射裂缝在我国高速公路上是一种普遍存在的现象。反射裂缝的出现不仅降低了路面的强度，而且使水更容易进入路面以及路基内部，使路面出现脱空、坑槽等一系列病害，降低了高速公路的长期使用性能。

2 反射裂缝预防和处置技术

目前，我国预防和处置半刚性基层反射裂缝主要有两类方法，一类是在基层和面层之间设置一个夹层，通过夹层来分散反射裂缝的应力，从而控制反射裂缝的出现和发展；另一类是在沥青混凝土面层中掺入聚酯纤维等材料，通过提高面层抗拉强度来达到控制反射裂缝的出现和发展的目的。

基层和面层之间设置的夹层系统还可以分为两类：一类是设置加筋层，另一类是设置应力吸收层。利用加筋层处理反射裂缝的基本原理是其能提供足够的抗拉强度，抑制裂纹周围产生的应力，使应变有效扩散，从而有助于降低沥青路面底部产生的拉应力，防止裂缝的产生。利用应力吸收层处理反射裂缝的基本原理是其能承受较大的变形，防止裂纹尖端继续扩展，降低集中应力，从而防止裂缝的产生。

通过在沥青混凝土中掺入聚酯纤维等材料，来提高沥青混凝土的抗裂性能，从而达到延缓裂缝出现和减少裂缝数量的目的。通过室内试验表明，与不掺聚酯纤维的沥青混合料相比，掺入聚酯纤维的沥青混合料的破坏拉应变明显增大。

下面对我们常用的几种夹层系统进行简要介绍，代表的几种处置方式为：橡胶沥青应力吸收层、级配碎石以及铺设土工合成材料。

(1)橡胶沥青应力吸收层

橡胶沥青应力吸收层对防止反射裂缝具有良好的效果。现场试验表明，与不使用该技术的路段相比，路面裂缝率可降低1/10～1/4。但是该技术对沥青路面的厚度非常敏感，当沥青层厚度小于5cm时，橡胶沥青应力吸收层容易发生破坏，从而失去作用。另外，由于橡胶沥青应力吸收层需要在较高温度下完成摊铺和碾压，一旦施工质量不能得到很好的控制，橡胶沥青应力吸收层反而会成为道路结构的薄弱环节。

(2)级配碎石采用具有一定级配的碎石铺筑于面层和基层之间。当级配碎石结构层开始发生塑性变形时，其承载力将显著提高，并能承受较大的变形。特别是当其底部出现裂缝时，集料在荷载作用下可自动进行位置调整，使级配集料中的应力重新分布，这不但不会使裂缝进一步发展还会使部分裂缝在一定程度上闭合。这意味着当级配碎石结构层受到裂缝作用时，它具有自愈特性。理论上，当级配碎石结构厚度达到15cm时，沥青路面底部的应力可以降低36%～63%。

粗粒式沥青碎石在变形能力、吸收应变能、降低集中应力等方面与级配碎石相似。此外，粗粒式沥青碎石的大空隙率(15%～20%)可进一步防止裂缝尖端的发展路径。粗粒式沥青碎石同时具有隔离作用，能够改善基层的温度状态，减少半刚性基层的温缩。研究表明，与普通沥青混凝土相比，粗粒式沥青碎石中的应力可降低20%～30%。

以上两项技术的主要问题是会增加道路的厚度和修建费用，如果施工过程质量控制得不好，还可能会发生离析的情况。

(3)土工合成材料

土工合成材料是我国常用的防止和延缓反射裂缝的方法。在这里也要着重介绍一下。根据土工合成材料的不同特点，土工合成材料可分为土工格栅和土工布两种。前者具有刚性高、模量大、延伸率低、蠕变小、物理化学性能稳定、联锁作用强等特点。后者用作柔性应力吸收膜，能吸收裂纹尖端集中应力，防止裂纹继续发展。此外，当土工布在粘层或透层沥青层上施工时，会形成不透水层，从而防止水对路基的不良影响。

土工格栅是一种应用较为广泛的土工合成材料，主要代表材料是玻璃纤维格栅。玻璃纤维网格可以均匀地传递荷载，从而使裂纹应力方向由垂直向水平转化。为了验证格栅的实际性能，通过弯曲试验，对同一材料、同一级配、不同配筋方式的格栅沥青混凝土的弯曲破坏特性进行了试验研究。从弯曲破坏过程的差异和裂缝尖端承载状态的变化，揭示了格栅加筋沥青混凝土裂缝扩展控制的原因。试验所用网格为CE131(中国制造)和土工格栅(进口)，如图1所示。弯曲试验试件为50mm×50mm×250mm立方体试件。表1为试验中不同温度下的测试结果，图2为试验中格栅位置编号。

从表1的数据来看，同一试验温度条件下，无格栅的试样和在不同位置添加格栅的试样其弯曲强度无明显变化，说明土工格栅不能明显提高试样的弯曲破坏强度。但是从某一固定温度下(以-20℃为例)的弯曲破坏图(图3)来看，不同配筋方式的格栅混凝土的破坏过程是不同的。在该温度下，试样随着载荷的不断增加，其变形量逐渐增大，在达到破坏载荷作用时，试样底部会出现裂纹，此时，没添加格栅的混凝土试样会立即断裂(图2中0号曲线)，而添加了格栅的混凝土试样(图2中Ⅰ、Ⅱ、BⅡ号曲线)，虽然在荷载作用下也出现了裂缝，使荷载下降，但是没有立即断裂，变形均出现了不同程度的增长，这是因为添加了格栅延缓了裂缝的发展速度。格栅所提供的抗拉强度越强，试件断裂时发生的变形就越大。其他温度条件下的试验，均表现出与该温度相同的变化规律。从而证明格栅能够有效延缓裂缝发展的速度，并且格栅抗拉强度越高其防止反射裂缝的效果就越好。

图1 试验土工格栅形状

试样编号试验温度(℃)-20-1008192535RE(MPa)7.8257.2345.9044.9624.5981.4110.4710εE(×10-3mm)1.4371.5772.3703.3789.18210.0489.514SE(MPa)577353072593139055714774RE(MPa)8.0767.8856.9945.0424.4081.8770.490Ⅰ(CE131)εE(×10-3mm)1.3201.5832.4473.3657.05210.219.725SE(MPa)611750622648136366018351RE(MPa)8.2517.5007.0074.8194.3572.2230.706Ⅱ(CE131)εE(×10-3mm)1.4371.6522.3863.4889.37310.25910.501SE(MPa)569247823102138246521667RE(MPa)8.4427.8806.7044.8905.3052.8570.910BⅡ(进口)εE(×10-3mm)1.3361.7332.2293.4077.9989.9708.464SE(MPa)5801409327731435648286113

注：RE(MPa)试件破坏时弯拉强度，εE(×10-3mm)试件破坏时最大弯拉应变，SE(MPa)试件破坏时弯曲劲度模量

图2 试样中格栅的位置

图3 试样弯曲破坏图

在某高速公路的一段试验路上采用了山东制造的一种土工格栅进行现场试验，1年后通过有格栅道路和无格栅道路的性能对比来看，有格栅道路的裂缝数量比未经处理的路面少得多。同时通过施工经验证明，如果基层裂缝垂直变形过大，那么将会影响土工格栅控制反射裂缝的能力，甚至使土工格栅失效。

3 总结

以上是防止和处理反射裂缝的几种常用处理方法。不管采用何种方法，当反射裂缝太宽、太深时，必须采用灌缝等措施进行处理，否则都会使处理手段失败。另一方面，当基层变形较大或基层强度不够时，也必须采用相应的手段来提高基层强度，以保证处理反射裂缝的手段能够发挥其应有的效果。采用应力吸收层技术时，现场应做好施工控制，保证温度、碾压等完全按设计要求进行，以确保使用效果。