公路沥青路面裂缝成因及修补技术研究

居玮

摘要 为了提高公路沥青路面养护水平，文章以某高速公路沥青路面为研究对象，统计了横向裂缝、纵裂裂缝、龟裂、块裂等裂缝的占比，并从车辆荷载、温度变化、沥青混凝土老化、雨水冲刷等方面分析了裂缝的成因。其次，基于室内试验法对比了4种裂缝修补材料的高温稳定性和低温抗裂性。最后，阐述了沥青路面裂缝的修补时间、工艺及质量控制要点，研究成果可为沥青路面裂缝处理提供依据。

关键词 沥青路面；裂缝成因；修补材料；修补工艺；修补效果

中图分类号 U416.217文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0029-04

0 引言

沥青混凝土是公路工程中最常用的路面材料。但是，公路经过长期运行，沥青混凝土在车辆荷载、高温、低温、降雨、降雪等因素的作用下容易开裂，产生各种裂缝，不仅影响了公路的外观和承载性能，还降低了公路的通行能力和行车安全性。同时，很多公路管养人员在制定裂缝修补方案时会盲目参考类似项目的图纸或经验，对裂缝成因理解不透彻，导致修补方案适用性差。因此，进一步研究公路沥青路面裂缝成因及修补技术具有重要意义。

1 既有公路裂缝调查

1.1 工程概况

该文研究对象为某高速公路，其路线全长36.8 km，起点桩号为K0+000、终点桩号为K36+800，路基标准横断面为双向四车道，宽度为25.5 m，双向行车道和硬路肩均采用半刚性基层沥青混合料路面，且路面结构层相同。沥青路面厚度为74 cm，具体结构组合如表1所示[1]：

道路所在区域为冲洪击平原二级阶地，阶面宽阔平整、地面起伏不大、地势南高北低，属暖温带半湿润大陆性季风区，夏季高温持续时间长、冬季寒冷干燥，年降水量为580～750 mm，7月、8月、9月是明显的降水高峰期，可占全年降水量的50%。

1.2 路面裂缝调查

近年来，公路两侧建立了许多物流园区，重载车辆不断增加，导致沥青路面出现了各种病害。鉴于此，该文针对公路沿线的路面裂缝开展了调查，得到了不同裂缝的占比，如图1所示。

在沥青路面裂缝中，其占比大小关系如下：横向裂缝（50.5%）＞纵向裂缝（25.5%）＞块裂（12%）＞龟裂（9%）＞其他（3%）。

2 沥青路面裂缝成因分析

2.1 沥青路面横向裂缝成因

横向裂缝基本与公路行车方向垂直，包括荷载型裂缝、非载荷型裂缝两类，不同裂缝的成因分别阐述如下[2]：

（1）荷载型裂缝。在车辆行车荷载作用下，尤其是重载或超载路段，路面面层底部会产生较大拉应力。当路面面层的层底产生的瞬时拉应力大于沥青混合料的极限抗拉强度，路面开始产生微裂缝。同时，微裂缝顶端会出现“应力集中”现象，使得微裂缝向上不断扩展，最终贯穿至路表。

（2）非荷载型裂缝。沥青混凝土具有明显的“冷缩”特性。当路面所处环境的气温骤然降低（短时间内气温变化剧烈），沥青混凝土的体积将会收缩。但是，沥青混凝土的收缩会受到限制，从而在路面结构层内部产生温度应力。当温度应力大于沥青混凝土的极限抗拉强度，路面会开裂。由此可知，沥青路面的非荷载型裂缝大部分较规则，裂缝深度、宽度直接取决于当地温度高低及变化。

2.2 沥青路面纵向裂缝成因

纵向裂缝方向与公路行车方向基本平行，其成因如下：

一是路基沉陷。当路基出现沉陷后，大部分外界荷载由沥青路面面层承担。此时，位于车轮下方一定深度范围内的沥青混凝土要同时承担拉应力和剪切应力，且拉应力和剪切应力快速增大。当拉应力和剪应力满足式（1）和式（2）时，路面就会在A点被拉裂或剪切破坏，如图2所示[3]：

T≥Tmax （1）

F≥σtanφ+c （2）

式中，T、F——A点所受的拉应力和剪应力；Tmax

——沥青混凝土的容许拉应力；σ——A点所受荷载的垂直分量；c——沥青混凝土黏聚力（kPa）；φ——沥青混凝土内摩擦角（°）。

二是排水不畅。如果公路排水设施设置不合理，降雨径流不能快速排出至用地范围外，使得路面积水，并沿着路面结构空隙渗入路基中。一旦路基长期被水浸泡，其承载力会大幅下降。在相同车辆荷载作用下，更容易出现路基沉陷问题，进一步加剧纵向裂缝[4]。

三是路面接缝压实不足。在分幅施工的沥青路面中，如果纵向搭接位置的压实度不足，外界环境中的水分、空气等会沿着接缝处的空隙渗入，加速沥青老化，使得沥青混凝土脆性提高。此时，在车辆荷载反复作用下，路面容易沿着行车方向剪切开裂。

2.3 沥青路面块裂成因

沥青路面块裂呈大块多边形，短边长度＜40 cm，长边长度＜300 cm，且具有明显的棱角，多出现在较开阔的路段。沥青混凝土老化是沥青路面出现块裂的主要成因，具体老化过程可分为以下两个阶段[5]：

（1）拌和阶段老化。沥青混凝土在搅拌机中搅拌时，不可避免地会发生氧化反应。一般情况下，拌和温度越高，因氧化反应引起的沥青混凝土老化越严重。同时，如果沥青混凝土的拌和时间过长，也会加剧沥青混凝土老化。经拌和老化后，沥青混凝土会变硬、变脆，路用性能变差。

（2）运营阶段老化。公路投入运营后，沥青路面受到降雨、降雪、气候变化等因素的影响也会出现老化。鉴于此，该文收集了某地区公路的运营资料，以针入度（见图3所示）为评价指标，评价沥青路面不同层位的老化程度。

由图3可知，在公路运营时间相同的条件下，越靠近路表的位置，其针入度越小，老化问题越严重；同时，随着运营时间的增加，沥青路面上面层、中面层、下面层之间的针入度差值呈减小趋势；对于同一路面结构层，其针入度随运营时间的增加不断减小，即运营时间越长，沥青路面老化越严重。

2.4 沥青路面龟裂成因

沥青路面龟裂呈一连串的小多边形或小网格状，其短边长度一般不大于10 cm。结合相关研究成果，龟裂也可叫疲劳裂缝，主要是因为车辆荷载的反复碾压，使得沥青路面的变形超出设计值，无法继续承载，因此形成沥青路面的龟裂。在龟裂产生初期，基本不会影响路面性能；当龟裂面积达到某一临界值，会形成坑槽，不利于行车安全[6]。

3 沥青路面裂缝修补材料性能

3.1 裂缝修补材料分类

目前，公路沥青路面裂缝修补常用的材料有加热施工类、常温施工类、专用材料类，不同材料的具体特点见表2所示[7]。

3.2 裂缝修补材料性能评价

由于该公路沥青路面沿线的夏季高温持续时间长、冬季寒冷干燥，可将高温、低温视作影响裂缝修补材料性能的重要因素[8]。鉴于此，该文选取4种常用的裂缝修补材料（70#道路石油沥青、SBS改性沥青、RTA、树脂类密封胶），对其高温稳定性和低温抗裂性进行分析，试验方法应严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011，简称《规程》）开展。

（1）高温稳定性。在夏季连续高温环境中，许多裂缝修补材料受热后都有一定的软化，甚至出现“流淌”问题。此时，在车辆荷载影响下，裂缝修补材料容易出现被挤出或溢出的问题，使得裂缝修补失败，故裂缝修补材料的高温稳定性是指其在高温环境中的软化能力[9]。

利用《规程》中的“环球法”测量4种裂缝修补材料的软化点。每个材料取3组平行试验，取平均值作为该材料的软化点。需注意，3组试验的软化点测定结果变异系数应控制在10%内。不同裂缝修补材料的软化点试验结果见表3所示。

不同裂缝修补材料在高温条件下软化点大小关系为：树脂类密封胶＞RTA＞SBS改性沥青＞70#道路石油沥青。一般情况下，材料软化点越高，其高温稳定性越好。因此，树脂类密封胶的高温稳定性最好，70#道路石油沥青最差。

（2）低温抗裂性。在冬季连续低温环境中，裂缝修补材料不可避免地会变脆，变形不易恢复。一旦受到车辆荷载，容易因拉伸而断裂，故裂缝修补材料的低温抗裂性可用弹性恢复能力评价[10]。

在5 ℃低温环境下，根据《规程》测定不同裂缝修补材料的延度。每个材料取3组平行试验，取平均值作为该材料的延度。需注意，3组试验的延度测定结果变异系数应控制在10%内。不同裂缝修补材料的延度试验结果见表4所示。

不同裂缝修补材料在5 ℃低温环境条件下的延度大小关系为：树脂类密封胶＞SBS改性沥青＞70#道路石油沥青＞RTA。一般情况下，材料延度越大，其低温抗裂性越好。因此，树脂类密封胶的低温抗裂性最好，RTA最差。

综上，建议采用高温稳定性、低温抗裂性较好的树脂类密封胶作为该公路的路面裂缝修补材料。

4 沥青路面裂缝修补要点

4.1 裂缝修补时间

沥青混凝土具有明显的“热胀冷缩”特性。如果在夏季高温条件下修补裂缝，沥青混凝土受热膨胀，裂缝宽度会缩小，使得灌入的密封胶偏少。而在冬季低温条件下修补裂缝，沥青混凝土体积收缩，裂缝宽度增加，需灌入更多的密封胶。因此，建议在温度适宜的春季或秋季开展沥青路面裂缝的修补作业。

4.2 裂缝修补工艺

裂缝修补施工工艺有直接灌缝和开槽灌缝两种，应根据沥青路面上的裂缝宽度选择。

（1）直接灌缝。当裂缝宽度＜3 mm，可采用直接灌缝工艺。该工艺不需要切缝，施工简单，灌缝后能起到长时间封水作用。但是，直接灌缝工艺应控制好裂缝修补材料的温度。若灌缝胶温度过高，会提前老化，性能下降。反之，灌缝胶流动度不足，难以完全填充裂缝，修补效果差。

（2）开槽灌缝。当裂缝宽度≥3 mm，可采用开槽灌缝工艺。该工艺灌浆饱满，对裂缝修补效果好，且修补后使用寿命较长（可达3年），但前期投入人员和机械设备多。其具体施工流程如下：第一，开槽。需先利用专门的开槽机在裂缝位置开槽，切割裂缝壁松动集料。第二，清缝灌浆。利用压缩空气或高压水将槽内的杂物清理干净（如遇到难以清理的粘附性杂物，可用钢丝刷清理），再均匀灌入密封胶。第三，开放交通。待裂缝修补完成2 h、材料达到凝固要求，才能撤出路障，开放交通。

（3）质量控制要点。为了保证裂缝修补质量，灌缝时应加强质量控制，具体控制标准及检查频次见表5所示。

5 结语

该文以某高速公路沥青路面为研究对象，分析了不同裂缝的成因及修补材料、修补施工要点等，得到了以下几个研究成果：

（1）公路沥青路面经过长期运营，容易出现横向裂缝、纵裂裂缝、龟裂、块裂等，其中横向裂缝的占比最高。

（2）不同裂缝的成因不同，但基本与车辆荷载反复作用、温度变化、沥青混凝土老化、雨水冲刷等因素密切相关。

（3）沥青路面裂缝修补材料应优先选用高温稳定性、低温抗裂性较好的树脂类密封胶。

（4）为了保证裂缝修补质量，应尽量在春季或秋季灌缝处理，并根据裂缝宽度选择直接灌缝或开槽灌缝工艺。

参考文献

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