高速公路沥青路面开裂机理及基于薄层罩面的对策分析

李兰波

（邢台市公路工程管理中心，河北 邢台 054000）

0 引言

沥青路面在我国高速公路路面中占据了九成之多，受多种不可控因素影响，沥青路面出现病害现象难以避免。因此，要求相关工作人员及时勘查路面病害发生情况并及时采取针对性的措施进行控制，以免造成更大的危害，影响行车安全，增加维修费用。

裂缝是沥青路面的主要病害形式，既有纵向、横向或网状裂缝，也有荷载裂缝、温度裂缝或反射裂缝等。庞世华等[1]指出沥青路面之所以出现裂缝，其根本原因在于行车荷载的作用，并据此开展了相关的裂缝防治。但该理论未考虑气候、温湿度等环境条件的作用，因此防治效果提升程度有限。本文在前人所述的研究成果基础上，进一步分析沥青路面的开裂机理，提出一种基于薄层罩面的防治对策，并与相关研究方法开展实施效果比对，验证了所提理论方法的有效性与可靠性。

1 高速公路沥青路面开裂机理

高速公路沥青路面的典型病害很多，而开裂是一种较为普遍的现象。在通行车辆的压力作用下，轮胎位置往往会出现细微的纵向缝，雨水渗透进去后会导致路基含水量的改变，继而在车载往复下，形成较为明显的纵向裂缝。而横向裂缝一般垂直于行车方向，其产生机理一般是受环境条件的变化，使沥青基层出现一定的温度应力，当该应力超过沥青路面的抗拉强度时，即引起路面裂缝[2]。网状裂缝的产生与沥青路面的整体强度有关，且受环境条件的干扰程度较轻。早年间高速公路在修建时多采用轻质的酸性石料，导致沥青与石料黏附性差，且沥青材料十分容易老化，使其性能衰减严重，易出现网状裂缝。

在高速公路的病害形式方面，坑槽是局部受挤压而形成凹坑，属于特殊形式的开裂。其原因有：受到高温及雨雪天气的影响，沥青老化速度加快，则会形成坑槽。受到车轮动态荷载的影响，高速路面的空隙当中所产生的动水压力使水分渗入，导致水损性坑槽的形成。此外，在施工过程中混凝土的温度调控过高，则会使沥青材料在加热时迅速老化，降低材料黏结力，在车辆载荷的作用下形成坑槽；若温度调控过低，则会导致压实效果较差而形成坑槽[3-4]。本文在上述裂缝机理分析的基础上，提出对策措施。

2 高速公路沥青路面开裂防治对策

由上述分析可知，受高速公路所处环境、气候、温度等条件的影响，沥青路面裂缝的形成原因也各不相同。为此，需要结合高速公路路面的实际情况，选择合适的防控对策。

基于高速公路常规的裂缝防治手段，如封缝、雾封层、稀浆封层、微表处以及超薄抗滑层等，再综合选取一定的评价指标，用以衡量措施的应用效果，实际中可选择的指标既包括平顺度、防滑性、吸声性、服役年限以及防水性等。各种对策的应用效果分析见表1。

在选择沥青路面开裂防治对策时，除考虑建设等级、通行量以及当前路面现状等因素外，还应当考虑措施费用以及使用效果的配套层面。因此，实践中在针对同一开裂状况时，可能会存在多种可用的防控措施[5]，此时需选择其中成本最低的对策方案。

2.1 抗裂机理分析

高速公路的沥青路面一般设计为由无机结合料与细集料、骨料等与水混合而成的半刚性基层。该形式构造的基层虽然有一定的抗疲劳、抗拉性能，但受气候、车载及结构层自作用等影响，仍会发生细微裂纹，并逐步扩大成为贯穿整个基层厚度的裂缝，同时该基层处裂缝会反射至底基层与面层，从而引起路面反射裂缝。为提高基层抗裂性能，延缓裂缝发展，可引入应力强度因子，有效判断水泥稳定碎石基层的断裂韧度，继而采取裂纹增阻措施。

其中，应力强度因子表达式如下：

式（1）中：k为应力强度因子；σ为应力；q为裂纹长度；W为相关函数。

断裂韧度计算过程如下：

式（2）中：z为断裂韧度；l为厚度。

在循环载荷条件下，按照混凝土损伤演化方程，计算出疲劳开裂演化结果：

式（3）中：S为损伤度；R为循环荷载作用次数；u为材料参数。

通过上述计算得知，裂纹长度与损伤程度及疲劳寿命均为负相关。裂纹扩展速率为：

式（4）中：Δc为应力强度因子增量。对其积分后可得到：

式（5）中：qi为裂纹扩展长度；q0为初始裂纹长度；Ri为裂纹扩展长度对应的载荷循环次数；R0为初始裂纹长度对应的载荷循环次数。

由上述计算可知，初始裂纹的长度与其扩展速率成正比，则损伤阶段的裂纹扩展速率计算式：

式（6）中：W为能量释放率；Hf为应变能；b为体积。

裂纹扩展阻力曲线的获取过程如下：

式（7）中：A为阻抗应力强度因子；β为材料常数；Δq为裂纹扩展的距离。

由式（7）可知，当裂纹扩展长度与断裂韧度变大时，阻抗应力强度因子也逐渐上升，表明三者为正相关关系。

2.2 薄层罩面材料选择

因此，在上述计算分析结果的基础上，本研究利用纤维沥青混凝土薄层罩面设计相关路面开裂防控措施。作为一种费用较低、实施效果较为可靠的路面裂缝防治手段，薄层罩面工艺中应选择合适的橡胶沥青混凝土，并在其中添加一定量的矿物纤维，以提高防水能力。

配制橡胶沥青混凝土时，橡胶粉宜为80目，掺量取为20%；基质沥青选取SK 90#，相关的性能参数见表2。

表2 橡胶沥青的技术指标

按照混合料的类型选择合适的集料，并满足相关规范中的质量要求，内容如表3所示。

受橡胶沥青自身特性的影响，若放置时间过长，则橡胶可能存在离析。因此，橡胶沥青混凝土不适合提前生产，且橡胶沥青容易受到温度影响，具有一定黏度，在施工时需要经常清洗输送管线，以免发生堵塞现象。为此，纤维橡胶沥青混合料配比完成后所存放时间不宜超过10h，存放温度不应超过10℃。至此，完成高速公路沥青路面开裂原因分析，并利用纤维沥青混凝土薄层罩面设计了相关的路面开裂防控措施。

3 防治对策实施效果测试

3.1 测试准备

以某高速公路区间的实际建设项目为案例，基于ANSYS 软件，搭建如图1 所示的道路基准结构。采用万能试验机模拟行车荷载。

图1 道路模拟结构搭建

在模拟时，设定沥青面层顶面降温10℃，行车荷载取0.7MPa，现场温度约为18℃，相关模拟分析指标见表4。

在基层中有反射裂缝且荷载仅作用在一侧以及非对称荷载的情况下，分别将本文提出措施的防控效果与文献[1]和文献[2]两种传统措施的防控效果开展对比分析。

3.2 测试结果分析

在上述参数设置完成后，对比三种方案实施后的剪应力与拉应力，见表5。其中，方案1、方案2 分别对应文献[1]和文献[2]。

由表5结果可知，当荷载作用于裂缝的一侧时，两种传统的防控措施虽然能够将应力值控制在一定范围内，但仍有优化的空间；应用本文防控方案后，与方案1 相比剪应力减少85.4%。由此可见，对于路面基层底部的剪应力，本文方案具备显著的应力消散功能。

表5 不同措施底面层底部应力情况对照

4 结语

本文针对高速公路沥青路面典型病害中的开裂现象，在前人研究的基础上，进一步分析了沥青路面的开裂机理，引入参数应力强度因子，通过计算阐明相关影响因素的变化关系，确定改进方案的关注重点，继而针对性地提出了基于橡胶沥青混凝土薄层罩面工艺的裂缝防治对策。在此基础上，利用ANSYS 有限元分析软件，根据实际案例情况合理设定模拟参数，对比文献中的相关方案，验证了本文所述防治对策的可靠性与有效性，可为此类高速公路沥青路面的防治对策研究制定提供参考。