辽宁省高速公路纵向裂缝典型病害的调查分析与研究

周健楠

(1.沈阳建筑大学 交通工程学院 沈阳市 110168； 2.辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015； 3.高速公路养护技术交通运输行业重点实验室 沈阳市 110015)

※基金项目：辽宁省交通科技重点项目(201708)

目前，辽宁省的高速公路路面性能处于稳步提升的阶段，已基本消除了坑槽、泛油、水损害等路面早期损坏现象，结构承载能力得到基本保证。总体而言，辽宁省高速公路路面性能状态由多种损坏多发发展到单一损坏突出，裂缝问题依旧难以解决，其中纵向裂缝的发生更是严重影响路面的结构性能和路用性能[1]。

因此，通过对辽宁省高速公路沥青路面的纵缝进行跟踪调查，对纵向裂缝较多的典型路段进行了裂缝产生原因的分析，同时结合现场芯样和室内试验，对Top-Down开裂产生机理进行分析。从而进一步明确辽宁省高速公路沥青纵向裂缝的发生发展特点，为进一步有效控制纵向裂缝的发生奠定基础。

1 调查数据及分析

选取辽宁省高速公路纵向裂缝较为严重的西开高速、锦阜高速和永桓高速作为典型路段进行观测，每公里的纵向裂缝统计结果见表1。

由表1可以看出，西开高速、锦阜高速和永桓高速的纵向裂缝均较为严重，且呈现出逐年增长的趋势，并有逐渐发展成网裂的趋势。除锦阜高速外，西开高速和永桓高速沥青路面面层为双层结构，双层沥青路面在抗低温开裂方面有其自身的弱势，由于西开高速和永桓高速车流量均较小，不考虑路基沉降等因素，主要为低温气候条件和老化条件下的综合影响，因此，建议在寒冷地区，应适当增加沥青层的厚度，并且在表面层SBS改性沥青选择时，采用低温条件下劲度模量较低的沥青胶结料，满足沥青路面低温抗开裂验算和实际路用性能的要求。

表1 典型高速公路纵向裂缝统计结果

与此同时，由于沥青胶结料在气候条件作用下，不可避免地发生老化现象，造成路面由于胶结料老化所产生的裂缝，因此，在未来修筑双层沥青路面时，对于交通量较小且气候条件不苛刻的地区，建议采用SMA沥青玛蹄脂碎石混合料作为上面层，由于SMA具有较好的抗低温开裂、抗老化性能，可减少由于老化原因引起的沥青层开裂，减少运营期养护费用的投入。

2 现场钻芯取样调查

路面钻孔取芯是一种操作简单而且费用较小的有效方法，通过钻孔取芯可以观察路面结构内部真实状态，对取回的芯样可以进一步分析其力学性能或体积特性等，从而能够评价该路段路面结构的性能。

根据钻芯和挖验结果，将纵缝分为三种类型：路基不均匀沉降引起的结构性开裂、车道中心纵缝和沿轮迹带发展纵缝。调查分析结果表明，大部分纵缝发生在行车道，裂缝上宽下窄，自上而下发展，表现出典型的T-D(Top-Down)开裂的特点。其中，车道中心纵缝基本沿垂直方向自上而下发展，具有受拉开裂特征；轮迹带纵缝则在一定深度以一定角度向下发展，具有剪切开裂特征。即轮迹带的纵向裂缝主要由荷载引起的剪应力导致，而车道中心的纵缝则主要是由拉应力导致。

对辽宁省高速公路沥青路面纵缝病害的发展趋势进行分析，对不同运营年限的路面纵向裂缝进行统计分析，结果如图1所示。可以看出，对于纵向裂缝，在通车7～8年左右会发生突变，在行车荷载及沥青老化的作用下，裂缝数量和面积会显著增加。因此，在不考虑施工水平、结构型式、路基沉降等因素，建议对于辽宁省高速公路沥青路面，在通车6年、纵向裂缝发生突变之前，要进行一次例如薄层罩面等维修方式，避免产生大面积的龟网裂，造成下层沥青层及基层的损坏。

图1 纵向裂缝的发展特点

3 T-D开裂室内试验研究

目前，对于沥青路面的横向裂缝、车辙的原因相对比较明确，而TD形式的纵缝发生在通车十年之内，对应的路面结构整体强度大部分仍处于良好水平，这与目前的路面结构设计规范的理论基础是不一致的。关于TD开裂的原因目前仍存在争议。因此，有必要对TD形式的纵缝进行深入研究[2]。

分别在路肩和开裂附近位置表观无损区域钻芯，将芯样按照材料类型分层切割，通过劈裂试验进行对比分析。劈裂强度和弹性模量计算方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中T0716-2011进行，试验温度均为15℃[3]。

由于钻芯得到的试件高度不一，与标准室内试验成型的试件厚度差距较大，为考虑试件厚度对试验结果的可能影响，选择90#基质沥青AC-13沥青混合料，采用旋转压实方法，制备150mm×100mm试件，按照不同厚度进行切割。对切割得到的不同厚度试件分别进行劈裂试验，分析厚度对试验结果的影响，试验结果见表2。

表2 AC-13劈裂试验结果

表3是对劈裂试验得到的强度和模量与厚度的相关性分析结果。由表可知，劈裂强度和弹性模量与厚度的相关分析均不能通过显著性检验，因此可以初步认为试件的厚度在一定范围内变化不会对劈裂试验结果造成影响。张肖宁教授[4]研究结果表明，对于AC-13型沥青混合料，厚度在40～75mm试件的间接拉伸动态模量基本保持一致，厚度30mm的试件模量值在5℃时明显偏高，在20℃时差别不明显。从而说明采用间接拉伸的方式对沥青混合料芯样进行评价是合理可行的。

表3 劈裂试验与厚度相关性

4 代表路段试验结果

以丹本高速为例，路面结构形式为：4cmAK-13+5cmAC-20+6cm AC-25+36cm半刚性基层，交通荷载等级为中等。调查时间为通车后12年，主要病害类型为行车道沿轮迹带发展的纵缝。不同层位芯样劈裂试验结果见表4～表6所示。

表4 上面层芯样劈裂试验结果

表5 中面层芯样劈裂试验结果

由表4～表6可知，行车道和路肩中下面层的强度和模量相当，差别在10%以内。而上面层对应的模量和强度的差距比较突出。行车道上面层和路肩对应的劈裂强度分别为1.49MPa和1.94MPa，对应的弹性模量分别为900MPa和1490MPa。分析路肩强度和模量较大原因是因为随着路龄的增长，发生了明显的老化现象。根据设计文件，对该路段上面层沥青混合料AK-13进行了复配，将复配后的上面层劈裂试验结果与行车道和路肩对比，如图2所示。

表6 下面层芯样劈裂试验结果

图2 上面层芯样弹性模量和劈裂强度关系

由图2可以看出，与复配后的上面层沥青混合料AK-13相比，在相同劈裂强度下，弹性模量排序为路肩>T-D开裂位置>新拌沥青混合料。一般而言，沥青混合料的模量在环境作用下，由于老化因素，随着时间的增长，呈现增大的趋势；在荷载作用下，由于疲劳因素，呈现减小的趋势。而T-D开裂位置的弹性模量介于路肩和新拌沥青混合料之间。因此，可以推断，T-D开裂位置既存在老化，也存在荷载疲劳，并且该种疲劳现象发生在上面层轮迹带，其主要原因是由于车辆荷载对路面的剪切作用造成的。由此可知，沥青路面T-D开裂与荷载和环境作用密切相关。

5 结语

(1)辽宁省高速公路纵缝病害主要以T-D(Top-Down)形式为主，纵缝多发生在行车道轮迹带或车道中心。轮迹带的纵向裂缝主要由荷载引起的剪应力导致，而车道中心的纵缝则主要是由拉应力导致。

(2)行车道轮迹带T-D模式的纵缝与交通荷载和沥青混合料老化有密切关系，在重载交通路段混合料设计过程中，建议增加抗剪强度指标，并适当提高混合料抗剪强度。

(3)与横向裂缝类似，纵缝的产生与磨耗层沥青混合料类型存在密切关系。对于耐久性较好的SMA面层而言，其纵缝出现时间较晚。

(4)对于辽宁省高速公路沥青路面，在通车6年、纵向裂缝和龟网裂发生突变之前，要进行一次例如薄层罩面等维修方式，避免产生大面积的龟网裂，造成下层沥青层及基层的损坏。