談瀝青路面裂縫形成原因及防治措施
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［摘要］基于瀝青路面裂縫的類型，分析了瀝青路面開(kāi)裂的原因，主要有荷載因素、溫度因素、基層反射裂縫、施工因素等。同時(shí)，提出了瀝青路面裂縫的防治措施，對(duì)有效解決瀝青路面的開(kāi)裂具有一定的指導(dǎo)作用。
［關(guān)鍵詞］道路工程；裂縫；瀝青路面；防治措施
引言
瀝青路面具有表面平整、無(wú)接縫、承載能力高等特點(diǎn)，且車輛在行駛過(guò)程中振動(dòng)小、噪音低。因此，其在我國(guó)公路建設(shè)中被廣泛使用[1]。與此同時(shí)，半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)層容易形成裂縫，且隨著時(shí)間的推移，這些裂縫逐漸擴(kuò)展，發(fā)展成破壞性更大的深層裂縫，導(dǎo)致瀝青路面在建成不到5年的時(shí)間里，就面臨著大修或是重建，對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)方面造成了巨大損失。道路結(jié)構(gòu)開(kāi)裂后，一方面行車的舒適性大大降低，另一方面，地面流水一旦進(jìn)入裂縫結(jié)構(gòu)，容易滲入道路路基中，路基將會(huì)破壞，且難以養(yǎng)護(hù)維修；此外，路面結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)裂縫病害以后，瀝青路面的整體性被破壞，其抵抗車輛荷載的能力將大大削弱，路面結(jié)構(gòu)會(huì)形成更加嚴(yán)重的病害，徹底失去承載能力。本文針對(duì)瀝青路面的裂縫進(jìn)行分類，并從開(kāi)裂的原因方面入手，探究防治瀝青路面開(kāi)裂的技術(shù)途徑。
1瀝青路面裂縫分類和原因分析
半剛性基層瀝青路面的開(kāi)裂，在外觀上表現(xiàn)出三種類型，分別是垂直于行車方向的橫向裂縫、沿著行車方向破壞的縱向裂縫、橫縫和縱縫互相交錯(cuò)演變成的網(wǎng)狀裂縫。沿著裂縫的豎向開(kāi)裂方向，可以將裂縫分為兩類，分別是從路表面逐漸向下擴(kuò)展的裂縫和從路基或基層開(kāi)始向上延伸的裂縫。就其形成裂縫的原因來(lái)分類，可以分成由行車荷載造成的荷載型裂縫、受溫度影響形成的溫度裂縫和道路不同結(jié)構(gòu)層相互影響形成的反射裂縫三類。綜上所述，瀝青路面的裂縫的分類方法和類型有很多，而造成瀝青路面形成裂縫的因素可以歸納為以下幾種，分別為荷載因素、溫度因素、裂縫反射因素、施工因素，且造成路面的裂縫病害，不是上述所講的某一單一因素，常常是幾種因素互相作用所造成的[2]。斷裂力學(xué)中，最基本的斷裂有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型這三種類型。這三種類型中，Ⅰ型斷裂形式或者稱為張開(kāi)型斷裂形式，是三種斷裂類型中最廣泛，同時(shí)也是最危險(xiǎn)的。Ⅱ型斷裂形式，也可以稱為滑移型斷裂形式，它所形成的原理是裂縫尖端的剪切應(yīng)力，造成裂縫的兩邊在剪力方向互相錯(cuò)動(dòng)滑移，最終形成Ⅱ型斷裂。最后一種形式，我們稱為撕裂型斷裂，該斷裂模式和前兩者的斷裂原理不一致，但也有相似的地方，我們可以發(fā)現(xiàn)Ⅲ型同時(shí)具有Ⅰ型的張開(kāi)破壞，也具有Ⅱ型的剪切破壞。在道路結(jié)構(gòu)中，不僅有這三種斷裂方式，還有復(fù)合型裂縫的存在，即包含了Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型斷裂中的兩種或是三種破壞共存的形式。在道路結(jié)構(gòu)中，裂縫的開(kāi)裂位置，存在于整個(gè)結(jié)構(gòu)層中，即路基層、基層、面層中均有可能形成裂縫。面層材料的裂縫，主要原因是溫度變化、汽車作用及基層面的裂縫向上反射幾種因素互相作用產(chǎn)生的?；鶎硬牧系拈_(kāi)裂，是因?yàn)榘雱傂圆牧蠠崦浝淇s和失水收縮而形成的，且該裂縫一旦出現(xiàn)難以維修。而路基結(jié)構(gòu)的裂縫，主要是由于施工過(guò)程的不規(guī)范，或是超載車輛的行駛造成的，路基裂縫是危害最大且維護(hù)難度最大的一種。此外，路基裂縫和基層裂縫是可以相互反射的，且基層裂縫可以反射到路面面層。下面將從荷載、溫度、反射、設(shè)計(jì)施工這四個(gè)因素出發(fā)，來(lái)進(jìn)一步研究造成半剛性基層瀝青路面裂縫的原因。
1.1荷載因素
車輛靜止時(shí)，對(duì)于路面的作用力是豎直向下的；在啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中，對(duì)于路面的作用力，不僅有豎向力也有橫向的推擠力；在行駛過(guò)程中，還是一種半正弦的振動(dòng)力。路面結(jié)構(gòu)在汽車荷載的不斷作用下，將出現(xiàn)疲勞損壞。這種疲勞損壞是一直存在且能夠不斷累積的，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，超過(guò)了路面材料拉應(yīng)力，那么材料就出現(xiàn)了裂縫。且這種裂縫大量存在于基層和面層中，隨著時(shí)間的推移，這些裂縫將逐漸擴(kuò)展，最終貫穿整個(gè)路面結(jié)構(gòu)，造成永久性的破壞[3]。
1.2溫度因素
溫度因素所造成的的裂縫，我們稱為溫度型裂縫，主要分為兩大類。一類是由于瀝青的低溫性能較差，在冬季溫度較低的情況下，瀝青層中的溫縮應(yīng)力非常大，超過(guò)了該材料的抗拉強(qiáng)度所形成的低溫收縮型裂縫。另外一類溫度裂縫，大多存在于一些每日氣溫變化差異很大的地區(qū)。瀝青材料在白天，經(jīng)歷溫度從低到高的逐漸變化，材料受熱膨脹；而到晚上，溫度由高到低逐漸變化，材料受冷而收縮。溫度應(yīng)力的存在，造成與荷載因素同樣原理的疲勞破壞，最終瀝青路面形成裂縫，這類裂縫我們稱為溫度疲勞裂縫。
1.3基層反射裂縫
傳統(tǒng)意義上的反射裂縫，一般在路面白改黑工程中發(fā)生，是指舊水泥路面加鋪瀝青層時(shí)，如果原有路面的裂縫病害未修復(fù)，那么在這些裂縫對(duì)應(yīng)位置，基于應(yīng)力強(qiáng)度因子理論，瀝青路面也會(huì)逐漸開(kāi)裂破壞。反射裂縫的類型，可以總結(jié)為如下兩大類。舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)時(shí)常在原有結(jié)構(gòu)上加鋪一層瀝青罩面，而舊水泥路面存在裂縫和接縫，瀝青罩面層在對(duì)應(yīng)這些位置上會(huì)產(chǎn)生裂縫，這種裂縫稱為反射裂縫。反射裂縫又可以分為以下兩種。（1）交通荷載型反射裂縫瀝青表面層對(duì)應(yīng)半剛性基層材料的裂縫位置，由于裂縫尖端應(yīng)用強(qiáng)度因子無(wú)限大，會(huì)形成應(yīng)力集中。在汽車荷載的反復(fù)作用下，瀝青面層內(nèi)損傷逐漸積累，達(dá)到瀝青路面的極限抗拉強(qiáng)度，最終在下面層處出現(xiàn)裂縫，而后逐漸向上擴(kuò)展至路表面。（2）溫縮型反射裂縫和交通荷載型反射裂縫類似，在環(huán)境溫度降低時(shí)，瀝青面層會(huì)產(chǎn)生溫度收縮應(yīng)力，尤其時(shí)是在對(duì)應(yīng)基層裂縫位置，存在應(yīng)力集中，在溫度收縮應(yīng)力的重復(fù)作用下，最終演變成反射裂縫，而后逐漸向上擴(kuò)展。
1.4設(shè)計(jì)施工因素
設(shè)計(jì)施工因素對(duì)于瀝青路面裂縫的影響是全方位的，貫穿于整個(gè)施工階段[4]。路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中，如果瀝青層厚度過(guò)小，抑或是材料彈性模量過(guò)大，都容易造成裂縫的產(chǎn)生。而在施工階段，瀝青路面的各個(gè)結(jié)構(gòu)層施工，都離不開(kāi)壓路機(jī)的壓實(shí)。在壓實(shí)過(guò)程中，路基和基層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的微裂縫，這些微裂縫在起初影響不大，但是在汽車荷載和溫度荷載的耦合作用下，微裂縫會(huì)逐漸發(fā)展成宏觀裂縫，且基層裂縫和路基裂縫能夠相互擴(kuò)展，造成進(jìn)一步的危害。尤其是當(dāng)裂縫形成后，雨水也會(huì)進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)層，將對(duì)道路形成毀滅性的病害。因此，在瀝青路面的設(shè)計(jì)和施工階段，對(duì)于瀝青路面的質(zhì)量控制尤為重要。
2防治瀝青路面裂縫對(duì)策分析
2.1做好施工組織和質(zhì)量控制
應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)決策，確定合理工期，避免盲目趕工。協(xié)調(diào)組織好設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位的工作，確保各單位、各環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量。此外，對(duì)于施工過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，要層層把關(guān)嚴(yán)格控制，從而保證公路建設(shè)的質(zhì)量過(guò)關(guān)。尤其是瀝青路面面層的施工，應(yīng)嚴(yán)格控制好混合料運(yùn)輸、壓實(shí)、檢驗(yàn)等過(guò)程，盡可能避免因混合料的離析或不均勻性造成路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫。
2.2加強(qiáng)瀝青路面養(yǎng)護(hù)管理
路面結(jié)構(gòu)在建設(shè)初期就出現(xiàn)了大量病害，達(dá)不到設(shè)計(jì)所要求的的服務(wù)水平，對(duì)社會(huì)造成了不良影響，這其中很大一部分原因是不重視瀝青路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。對(duì)于路面初期形成的微小裂縫沒(méi)有采取措施，以至于裂縫逐漸擴(kuò)展，影響道路的使用壽命[5]。裂縫填補(bǔ)是處理瀝青路面裂縫的常用措施，包括嵌縫條封縫、瀝青灌縫膠灌縫、壁可注入法等措施。此方法能夠有效填補(bǔ)裂縫，防止地面水的進(jìn)入裂縫，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)開(kāi)裂擴(kuò)展，避免造成更加嚴(yán)重的水損害，從而延長(zhǎng)道路的使用壽命[6]。此外，相關(guān)研究表明，含裂縫道路的壽命，受車輛荷載作用影響較大[7]。車輛的超載運(yùn)輸，使道路結(jié)構(gòu)中的裂縫加速擴(kuò)展，大大降低道路的使用壽命，因此，必須要嚴(yán)格控制道路運(yùn)輸中汽車的超載行駛，是提升道路結(jié)構(gòu)壽命的有效手段。
2.3積極開(kāi)發(fā)新材料、新結(jié)構(gòu)
瀝青材料對(duì)于瀝青路面的影響較大，優(yōu)質(zhì)的瀝青可以提高瀝青路面的抗裂性能，應(yīng)積極研究低蠟含量的優(yōu)質(zhì)瀝青。瀝青路面具有較好的使用性能，應(yīng)注重路面結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，可適當(dāng)加大瀝青層的厚度，能有效延緩瀝青路面裂縫的擴(kuò)展行為。同時(shí)，在路面結(jié)構(gòu)層中可設(shè)置各種類型的應(yīng)力吸收層和設(shè)置土工織物層，以消除應(yīng)力集中，避免反射裂縫的產(chǎn)生。此外，由于瀝青材料的種類逐漸增多，路面層間結(jié)構(gòu)連接也不盡相同，因此采用傳統(tǒng)方法預(yù)估瀝青路面的壽命已經(jīng)不太適用，因而有必要開(kāi)發(fā)新方法來(lái)分析瀝青混合料性能，從而可較準(zhǔn)確地預(yù)估瀝青路面結(jié)構(gòu)使用壽命。
2.4預(yù)裂技術(shù)
半剛性基層材料是一種水硬性材料，它具有較高的強(qiáng)度和粘性，此外，半剛性基層材料有很高的溫度敏感性，因此非常容易形成溫度裂縫及反射裂縫。為了避免或延緩反射裂縫的擴(kuò)展，可以預(yù)先在半剛性基層結(jié)構(gòu)中預(yù)先制造出規(guī)則間距的裂縫，這樣使它比自然裂縫更細(xì)且變形量更小，從而避免裂縫間斷的快速擴(kuò)展或大大延緩半剛性基層裂縫擴(kuò)展至貫穿面層，這種技術(shù)稱為預(yù)裂技術(shù)或預(yù)切縫技術(shù)。對(duì)基層結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行預(yù)切縫處理后，要及時(shí)將切縫填補(bǔ)起來(lái)，并鋪設(shè)一定寬度的條帶狀土工布。預(yù)裂的施工方法，雖然在溫度和車輛荷載的共同作用下，基層裂縫還有可能反射到面層中，但形成的反射裂縫形狀規(guī)則且均布，不容易形成坑槽或者網(wǎng)狀裂縫，就算是在道路結(jié)構(gòu)使用后期形成了較嚴(yán)重的病害，也更容易修復(fù)。相比預(yù)裂技術(shù)，道路結(jié)構(gòu)自然或汽車荷載作用造成的開(kāi)裂，影響較大，且一旦發(fā)展成嚴(yán)重病害，修復(fù)起來(lái)也非常困難。
3結(jié)束語(yǔ)
筆者針對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)中的裂縫問(wèn)題，從裂縫類型及開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析，并且提出了防治瀝青路面開(kāi)裂的措施，得出以下結(jié)論。（1）瀝青路面開(kāi)裂的主要因素有荷載因素、氣候因素、基層反射裂縫、施工因素等，這幾個(gè)因素相互作用，造成了瀝青路面的開(kāi)裂。（2）嚴(yán)格控制瀝青路面的施工過(guò)程，把控好混合料的運(yùn)輸、壓實(shí)、檢驗(yàn)等過(guò)程，避免因施工不當(dāng)而造成路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生早期的微裂縫。（3）注重瀝青路面的養(yǎng)護(hù)管理，及時(shí)修復(fù)路面的微小裂縫，避免因裂縫的逐漸擴(kuò)展，影響道路的使用壽命。（4）瀝青路面承受動(dòng)態(tài)荷載后所表現(xiàn)出的力學(xué)特性，用靜力學(xué)理論已經(jīng)不足以解釋。所以，基于裂縫的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展理論，對(duì)于瀝青路面設(shè)計(jì)理論的完善具有指導(dǎo)意義。
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作者：葛輝 馬海琴 單位：蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校