沥青路面裂缝成因分析及处置措施
2023-06-05柯生龙
柯生龙
(固原市凯达公路工程有限公司,宁夏固原 756000)
1 概述
1.1 研究的背景和必要性
随着公路交通流量的日益增大,超载重载车辆现象非常严重。在环境气候、地形条件、车辆载荷等因素影响下,无论是柔性材料还是刚性材料,路面都可能产生不同程度的开裂情况。路面开裂初期,对于道路的使用性能影响不大,但随着时间的推移和雨水侵蚀加重,开裂处便会发生蔓延,在大量行车荷载的作用下,逐渐发展成为沉陷、翻浆等病害,对公路工程质量有很大影响,不仅影响人们正常出行,给交通和行车造成压力,同时会造成巨大的经济损失和社会资源浪费。
1.2 沥青路面的结构特点
沥青混合料是一种多孔隙结构的材料,在抗滑性、耐久性方面,具有高强度和良好韧性的优点。沥青路面的结构层分为面层、基层和垫层,沥青结构层属于柔性路面的范畴。基层是设置在面层之下的结构层,与面层一起承载路面载荷,主要起到承重层的作用。基层除了可以使用柔性路面之外,还可以采用具有刚性的以水泥为主的混凝土来铺设,或半刚性的材料。黏土和有机细粒土不适合作为路基的填料,如有条件限制,应掺入石灰水泥或者其他添加剂使用。
1.3 研究方法
采用了文献综述法和实例研究法。首先,分析了国内外的行业文献,了解国外技术的发展情况和国内技术的应用状况;其次,结合所学的知识及实践经验进行综合阐述,介绍了沥青路面裂缝成因,裂缝的种类和具体现象;再次,归纳分析出裂缝成因与当地气候、周围环境、施工技术以及面层材料等密切相关;最后,通过理论与实际相结合的方法,定性地分析总结,得出结论,并提出预防路面裂缝的方法和裂缝处置措施。
2 沥青路面裂缝的形式及现象
2.1 横向裂缝
横向裂缝指的是裂缝与道路的中线近乎垂直角度的裂缝(见图1)。横向裂缝是沥青路面在摊铺施工完毕并碾压成型后,由于温度、湿度等因素影响,产生的一种病害。主要有以下几个成因:一是温度变化大。在气温大幅度下降之后,沥青路面收缩变形受到了挤压,出现的拉应力超出了沥青层的整体抗压力,导致横向裂缝。比如,东北地区的沥青路面容易产生横向裂缝,其主要成因是降温天气多,昼夜温差大。二是面层材料本身性质不同,强度等级不同,容易导致沥青路面疲劳开裂。这种内在因素主要和沥青的材料质量相关,沥青过硬、强度偏低都有可能造成道路横向裂缝。如果构造层的回填土没有夯实,也容易由沉陷变成横向裂缝[1]。
图1 横向裂缝
2.2 纵向裂缝
纵向裂缝一般是沥青路面在摊铺到碾压过程中,由于温度变化产生的开裂情况,还有一种情况是行车荷载过大形成的(见图2)。主要成因有:混合料拌和物松散、级配不均匀等;施工缝位置和行车轨迹不符合规范要求;沥青路面在摊铺到碾压的过程中,出现了纵向移动而产生裂缝;路基存在加宽需求,在加宽施工时,纵向碾压没有达到要求,从而造成加宽部位发生了沉降现象,实际的填土高度产生坡度,在结合处出现纵向裂缝。
图2 纵向裂缝
2.3 网状裂缝
网状裂缝具体表现为横向与纵向交叉相叠,缝宽呈均匀分布状,宽度约为1~40mm(见图3)。网状裂缝是由以下几种情况产生的:摊铺机振动,使压实度降低而出现局部空隙形成缝隙;施工人员操作不当,导致面层材料含水量过高形成网状收缩应力,沥青拌和施工过程中,拌和料的质量差、拌和时间过长都会使沥青总体的强度大打折扣,各层之间的结合性出现问题,形成网状裂缝;混合料温度变化引起横向移动,在寒冷地区,裂缝通常呈持续扩展状,冰冻后的水不断渗入,导致沥青本身加速老化,抗形变能力下降,产生裂缝。
图3 网状裂缝
2.4 反射裂缝
反射裂缝常由路面粗糙不平引起(见图4)。在沥青路面施工过程中,压路机碾压不到位或轮迹凹凸过大而产生纵向或横向移动。由于裂缝不能正常传递拉应力以及剪应力,路面基层失去抵抗应力作用,受长期温度影响或者在交通荷载作用下,面层与带裂缝的基层之间的裂缝尖端呈现集中性。通常反射裂缝分为温度型反射裂缝以及荷载型反射裂缝[2]。
图4 反射裂缝
3 沥青路面裂缝成因
3.1 气候环境因素
气候环境对沥青路面裂缝的产生有着非常重要的影响,气温过高或温差过大都不利于沥青混合料中各材料性能的正常发挥,也会使混合料产生较大幅度变形,从而导致开裂。由于夏季雨水天气比较多,加剧了道路积水,直接进入路基层面层,造成沥青路面开裂、松散等病害。冬季雨雪天气也容易使积水灌入路基。无特殊材料保护的沥青路面不宜长时间暴露于露天环境中。
3.2 设计方案因素
沥青路面质量的好坏不仅与材料相关,也和施工工艺、设计方案等因素有很大关系。在进行了大量的现场调研和分析之后,经过统计归纳,了解到目前国内大多数公路都采用水泥稳定碎石作为公路路面结构基层的主要材料。这种路基结构的稳定性通常较差,所以在路面施工过程中,要特别注意控制混合料级配,尽量避免沥青面层与水文情况的影响而导致设计不合理。在条件可控范围内,尽量减少压实的次数和级配的变化。在施工过程中,所使用的各种原材料都可能影响其质量,如若未全面考量材料和环境因素,则容易导致裂缝产生并扩大化的现象,从而使道路的功能不能完全发挥[3]。
3.3 施工技术因素
因施工技术不当,造成的沥青路面开裂情况也十分常见。由于施工人员操作填土材料不规范,或者操作出现失误后,没有采取合理的补救措施,造成不合格的材料混入混凝土,沥青混合料的温度和湿度都会对其产生影响。如果拌和不好,或者表面松散都有可能造成面层出现开裂、板结等病害问题。另有一些施工单位为了压缩工期和成本,对沥青混合料的配置缺斤少两,进行摊铺工作时也没有认真对待,给道路质量埋下较大的安全隐患。
3.4 面层材料因素
在实际的沥青混合料拌和过程中,原材料质量不合格、拌和不均匀等成因,会导致产生不同程度的裂缝。例如,粗集料离析产生裂缝;粗集度不够或过密而导致空隙率过大;级配不均匀或者材料含水量过大等问题,都可能引起裂缝。另外,由于沥青混合料在高温下产生收缩,也会使沥青面层出现裂缝,导致早期路面强度降低。因此,需要采取有效措施,控制混合料级配、粗细集料含量以及含油率等问题,以保证其满足设计要求,减少后期养护过程中沥青面层的裂缝现象,从而提高路面使用性能及行车舒适度。
4 沥青路面裂缝的预防措施
4.1 合理选择材料
在沥青路面的施工过程中,材料选择是关键。通过分析研究国内外先进技术及设备,可以发现我国目前所使用的各种路面原材料均存在缺陷或不足之处。通过试验确定最合适于国内环境条件、满足工程要求、达到预期效果的原料品种。首先,根据工程实际情况,进行科学合理的选用,结合所处的地域条件、水文因素等数据。其次,满足经济性要求,选用的材料因地制宜,最好是当地产出的优质材料以节省运输成本。沥青的选用最好考虑松弛型材料,保证沥青的延展度和塑性,并在沥青中适当加入添加剂,提高在低温环境下的抗裂性能和高温环境下的稳定性。
4.2 优化施工工艺
沥青路面施工工艺的好坏,直接影响沥青混合料的拌和质量。应严格控制原材料配合比、搅拌时间等条件进行合理设计。在混合料拌和过程中,必须严格按照设计要求配合比进行操作,并保持均匀一致,还需对拌和机的性能参数认真分析研究,并根据现场实际情况不断调整设计方案。在摊铺前,要对基层进行清理,以防止雨水冲刷后压实不充分而产生裂缝。还应注意加强对温度变化和湿度情况的观测分析,选择合适的时间施工。最后,路面碾压时应控制好速度与厚度,避免过快或过慢造成撕裂现象发生。注意摊铺机在作业期间不得出现超幅、振动及跑模等行为。通过不断摸索和实践,使沥青路面施工工艺满足工程要求,且具备较高的可靠性和安全性[4]。
4.3 加强道路养护管理
路面养护是沥青公路施工中的一个重要环节。在日常维护工作中,应注意以下几个问题。
4.3.1 及时处理路面积水和渗水情况,由于沥青混合料本身性能不稳定,如遇温度变化较大、泡水等因素容易造成强度不足,导致其抗裂性较差而出现裂缝。
4.3.2 及时处理路面开裂情况,如果有开裂的路面要及时处理。对于已经损坏或破损的部分要用钢丝绳固定,用防护板保持位置不变和尺寸一致;对于未能及时处理的,要及时放置警示牌,以免影响道路安全。
4.3.3 加强有损路面的巡检,及时清理路面散落的石块、铁块、砖头等硬物,严禁履带式车辆直接碾压路面进行作业。在实际使用过程中,要根据不同的路段环境和等级,采取相对应的维护措施,良好的养护工作对提高道路质量、保证行车安全具有举足轻重的作用。
5 路面裂缝的处置措施
5.1 沥青补缝法
沥青路面产生裂缝后,也可以使用沥青补缝法进行修复。如果裂缝的宽度在10mm 以内,可以在表面喷洒沥青料,然后压实。在气温过低的地方,适合采用乳化沥青进行封层处置。如果裂缝的宽度过大,则需要填充改性沥青,可以更好地深入路基,凝固速度也更快。在沥青路面修补之前,尽量将裂缝中的杂物清理干净,对缝隙边缘稍加修整。填充时,先用液化气对缝隙进行加热,有利于提高缝隙和填充物的黏性。这种方法是我国沥青路面裂缝处置的常用技术,对提高公路使用质量、保证行车安全具有重要意义。
5.2 注浆加固法
注浆加固法是一种用于沥青路面施工的技术,将水泥、集料、水和其他材料按照一定的比例与沥青均匀混合,形成具有一定强度及黏结能力的流体混凝土。调配后,通过注浆器将其注入裂缝内部,由于浆液自身具有很强的黏结力,提高裂缝处的整体承载力,修复裂缝。这种方法具有良好的经济性,使道路结构得到充分的利用[5]。
5.3 加铺罩面法
沥青路面经长时间使用,出现大面积裂缝,严重影响路面行车安全。这种情况下可以使用加铺罩面法进行病害处置。常见的沥青罩面有两种形式,冷薄层罩面和热薄层罩面。冷薄层罩面是在常温条件下,在乳化的沥青中掺入砂石材料,进行拌和,摊铺后压实。相对于加热后的混合料而言,这种方式更加节约能源,同时对于施工条件也没有过高的要求。热薄层罩面具有良好的修补效果,使修补后的沥青路面具有更长的使用寿命。热薄层罩面技术需要的成本造价相对偏高,同时修补后路面会升高,施工时,需要综合各方面因素进行考量。
5.4 表面刷涂法
表面刷涂法也是一种常见的裂缝处置措施,适用于宽度在2~5mm 的裂缝。先将沥青加热后,调至浓稠度较低,沿着缝隙均匀刷涂,反复刷涂几次直至表面平整。除了采用沥青刷涂之外,还可采用密封胶类物质进行刷涂。常温密封胶是一种有机大分子物质组成的胶质,其密度大于水,有良好的流动性,刷入缝隙处可沿着混凝土向下渗透,进而弥补裂缝。在常温状态下,4~5h 可凝固,凝固后残留物比较接近路面原色,可以减少对来往行人的视觉冲击。
6 结语
沥青路面裂缝是一种很常见的现象,沥青路面裂缝成因有很多种。对于沥青路面养护,建议以预防为主,如遇到裂缝问题,及时采取合适的方案进行修补,以免扩大影响。只有不断学习先进的技术方案,在实践中不断总结,才能更好地应对频发的各种情况,减少路面病害,保证道路整体工程质量,为我国的道路运输事业发挥更大的作用。