高等级公路沥青路面的早期病害裂缝
2012-02-10 来源：筑龙网
随着我国高等级公路的迅速发展，沥青路面作为一种高级路面广泛被采用，在我国高等级公路的建设中，沥青路面以其地质条件适应
性强、行车舒适、维护方便等优点而被广泛用于公路建设中。在公路通车后，因行车荷载作用、外界环境等方面的影响，沥青路面却易出现早期病害，尤其是在气候潮湿、降雨量大、雨季长的地区，沥青路面的早期病害更为严重。沥青路面本身易产生低温裂缝，沥青路面一旦出现裂缝，有可能导致路面结构性破坏影响路面的使用功能。因此为了保证路面的结构性能，需要分析路面产生开裂的原因并做好相应的防护措施。
沥青材质本身的差异，以及受设计和施工水平的影响沥青路面的常见病害过早的出现这些病害的出现严重影响了行车速度、行车安全、加大了汽车磨损。沥青路面在使用期开裂是养护中普遍存在的问题，且不论其基层是柔性的还是半刚性的。
高等级公路沥青路面的早期病害主要有3种类型：变形类、裂缝类和松散类。
1．沥青路面的变形，可分为表面变形和沉降类两种，主要表现为车辙、推移、拥包、沉陷等。
2．沥青路面出现的各种裂缝，有纵向裂缝、横向裂缝、块状裂缝、反射裂缝等。
3．沥青路面面层石料出现松散、离析现象，在水的作用下，逐渐形成坑槽。
沥青路面的表面变形主要是由于沥青路面的热稳定性不足，在高温行车下，沥青路面表层的构造深度不够，沥青路面出现车辙。
4．沥青路面出现的松散，主要是由于沥青混合料的空隙率较大，沥青与集料的粘附性差，水容易渗人沥青面层，并进一步下渗到基层，使基层含水量增大，在重载车轮高动压力作用下，基层整体性逐渐破坏，雨后，路面中水分的蒸发促使沥青面层产生裂纹，导致水更容易渗入路面，基层整体性进一步恶化，最终形成一个相互影响的恶性循环。
一、沥青路面开裂原因
沥青路面开裂的原因是错综复杂的，就沥青路面开裂的主要原因而言可分为两大类：一种是由于行车荷载的作用而产生的结构性破坏裂缝，一般称之为荷载型裂缝；另一种主要是由于沥青面层温度变化而产生的温度裂缝，包括低温收缩裂缝和疲劳裂缝，一般称之为非荷载型裂缝。我国现行沥青路面设计规范中规定或推荐沥青路面采用半刚性基层。因此还存在着因为半刚性基层的温缩裂缝或干缩裂缝引起沥青面层产生的反射裂缝或对应裂缝。此类缝主要是非荷载型的。
沥青路面出现裂缝的原因有：①由于采用半刚性基层刚度甚大而形成收缩裂缝，并导致沥青面层出现反射裂缝 ；②在降温时，沥青上面层的降温速度远大于中、下面层；③施工缝或冷接缝处理不好，结合不够紧密。路面裂缝的危害在于从裂缝中不断进入水分，使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，产生唧浆、台阶、网裂等病害，从而加速路面破坏。
二、沥青路面裂缝应力分析
（一）结构性破坏裂缝
1．沥青路面的结构性破坏裂缝主要是由于行车荷载引起的。在车轮荷载作用下，大于半刚性基层材料的抗拉强度时，半刚性基层的底部就会很快开裂。在行车荷载的反复作用下，底部的裂缝会逐渐扩展到上部，并使沥青面层也产生开裂破坏。影响拉应力主要因素有面层的厚度、基层本身的厚度、基层的回弹模量和下承层的回弹模量。
2．在半刚性基层下采用半刚性材料做底基层，可使基层底面由行车荷载产生的拉应力明显减小，甚至还小于半刚性底基层底面产生的拉应力，这对半刚性基层承受行车荷载的反复作用是十分有利的。
（二）温度裂缝
沥青面层上的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。温度裂缝有两种，一种是低温收缩裂缝简称低温裂缝，另一种是温度疲劳裂缝。
1、低温裂缝
沥青材料在较高温度条件下，具有良好的应力松驰性能，温度升降产生的变形不致于产生过大的温度应力，但当气温大幅度下降时，沥青材料逐渐发硬并开始收缩。此时半刚性基层的底部将产生拉应力，当拉应力沥青混合料的应力松驰赶不上温度应力增长，混合料劲度急剧增大。由于沥青面层在路面中是受到约束的，面层中产生的收缩拉应力或拉应变一旦超过沥青混合料的抗拉强度，沥青面层就会开裂。这种情况在沥青面层与基层的附着力不够好、允许有一定的自由收缩时，裂缝就更容易发生。由于沥青路面宽度有限，收缩受路面结构的相互约束小，所以低温裂缝主要是横向的。
2、温度疲劳裂缝
这种裂缝主要发生在日温差大的地区。由于温度反复升降导致沥青面层温度应力疲劳，使沥青混合料的极限拉伸应变（或劲度模量）变小，加上沥青的老化使沥青劲度增高，应力松驰性能降低，最终达到极限抗拉强度使路面产生裂缝。
一方面温度向沥青面层底部传递需要一定的时间，不是瞬时完成的，而且沥青面层内部和底部的温度不可能与其暴露表面的温度相同，始终有温度差，即沥青面层中会产生较大的温度梯度。沥青面层愈厚，表面温度与底部温度差愈大，层间温度梯度也愈大。
另一方面沥青面层表面的温度应力随着面层的增厚而增加，面层内的应力随深度而很快减小，同时面层表面的温度应力随降温幅度变小而减小。沥青面层的表面一旦开裂，随着持续低温或另一次降温，
在裂缝尖端会产生较大的应力集中，使裂缝向下延伸并逐渐穿透整个沥青面层；由于面层底部与基层表面的粘结作用，裂缝呈现上宽下窄现象。
半刚性路面的反射裂缝和对应裂缝。
由半刚性基层温缩开裂引起的反射裂缝。
通常假设导致反射裂缝的机理是处于沥青面层下的半刚性基层已经开裂，并且允许有垂直位移和水平位移。垂直位移是由行车荷载引起的下卧路面结构在裂缝处的差动位移，水平位移是由温度变化或水分变化引起的膨胀和收缩。
冬季或在寒冷地区，在结合得好的沥青面层下，开裂的半刚性基层的水平位移使得直接在裂缝上的面层内产生大的拉应力或拉应变，由于在较低温度下沥青面层通常较硬，它只能承受小的拉应力或拉应变，因此容易被拉裂，并且裂缝的扩展途径是由下至上的。沥青面层的厚度愈薄反射裂缝形成的愈早和愈多。
由半刚性基层干缩开裂引起的对应裂缝。
对于新铺的半刚性基层，随着混合料中水分的减少，要产生干缩和干缩应力；水分减少得愈多愈快，产生的干缩应力和干缩应变就愈大。在已经产生干缩裂缝的半刚性基层上铺筑 沥青面层，在较薄沥青面层的情况下，半刚性基层的裂缝会由于温度应力而使面层底部先开裂，并较快形成反射裂缝。一旦行车产生的拉应力与温度应力相结合，反射裂缝会形成得更快。在较厚沥青面层的情况下，由于温度应力在表面最大，基层的裂缝将促使面层先从表面开裂，然后逐渐向下传播形成对应裂缝。
三、影响裂缝产生的主要因素
（一）沥青及沥青混合料的性质
沥青和沥青结合料的性质是影响沥青路面温度开裂的最主要原因，沥青混合料的低温劲度是决定沥青路面是否开裂的最根本因素，沥青劲度又是决定沥青混合料劲度的关键。在沥青性能指标中，影响更大的是温度敏感性，温度敏感性大的沥青更容易开裂。
（二）基层材料的性质
基层材料的收缩性愈小，面层裂缝愈少。基层上有透层油以加强与面层的粘结对抗开裂是有好处的，基层材料种类对沥青面层的裂缝率有明显影响。
（三）气候条件
极端最低温度降温速率、低温持续时间升降温循环数次数是气候
条件影响沥青路面温缩裂缝的四大要素。
（四）交通量和车辆类型
半刚性基层中的最大拉应力，通常是由最重的车轮荷载产生的；并且对于半刚性路面，不同轴载对路面的破坏作用远不是4次方的关系，而11~13次方的关系，即使是通过次数较少的重荷载也对路面破坏起着决定性的作用。
四、沥青路面裂缝的防护措施
针对我国沥青路面的使用性能，要求沥青面层具有足够的结构强度，良好的热稳定性，耐磨、抗滑、平整和不透水性。目前，我国沥青面层可分为上、中、下层。从其各层分工情况看，下面层以抗疲劳为主，中面层以抗高温车辙与低温开裂为主，上面层首先要有足够的抗滑能力与构造深度，其次是抗低温开裂、抗高温车辙 、低噪声。为解决沥青路面早期损坏，保证其有良好的使用性能，应对沥青路面不同的早期病害类型，采用不同的防治措施。
对由于基层而出现的裂缝，应使沥青基层与面层有良好的结合，基层的刚度必须适中，并具有较小的平缩与低温收缩变形，可选用稳定粗粒料基层，并采用下封层措施解决半刚性基层的低温收缩裂缝问题，有效防止反射裂缝出现。在施工过程中，应注意尽量减少冷接缝，确保热接缝。
为减弱半刚性基层沥青混凝土面层的荷载型裂缝和非荷载型裂缝，可采用两大类方法：一是在施工阶段采用相应的预防或处理措施；二是在维修养护时选用合适的加铺层体系。在有条件时，通常会综合运用这两类方法以获得最佳效果。
（一）保证路基工作床的强度和稳定性
路基和路面是不可分割的整体、路基是路面的基础，路面又起到保护路基的作用。路基工作区是支撑路面经受行车荷载影响较大的深度区域，该深度区域必须具有足够的强度和整体稳定性这对于保证路面结构的强度和稳定性极为重要，否则将产生不均匀沉降使路面发生开裂。
1．路基工作区的强度主要是在填筑过程中形成的。为确保路基强度，必须严格控制路基的填筑工艺，合理选择填筑材料。
路基工作区深度：
式中：
—路基工作区深度，m；
p一车轮荷载，KN；
k—系数，k=0.5；
γ—土的容重，KN／m；
n—系数，n=5~10；
根据上式可以看出，路基工作区的深度za随车辆荷载 P增大而加深。公路交付使用后，如果车辆超载运行时。路基工作区深度Za将会加大。那么路基工作区的实际深度将会超出设计深度，这样未处理超出部分的路基强度、稳定性、刚度将会不足，在实际使用中，路基路面就会产生裂缝。因此建议在路基施工时对路基工作区的控制深度最好是大于路基工作区的设计深度。
2．提高路基强度和稳定性的最经济、最有效的技术措施是压实度。在施工中必须严格加以控制，使其达到规定值。
3．降低地下水位是提高路基强度的重要措施。当地下水位较高且路基标高受到限制时会造成路基水温条件差，影响路基的强度与稳定性。路面底以下80 cm路床是路基的关键部位，承受和扩散路面的应力，如开挖后发现底下渗水必须处理。
（二）基层的合理厚度
基层是主要承受竖直应力的承重层。大量试验证明，当增加基层厚度时，承载能力会也迅速增加。
（三）适宜增加面层厚度
由于基层材料的干缩或低温收缩而开裂，会导致面层也相应发生反射裂缝，这时在不需很高的成本的情况下适当加厚面层，可以有效的防止受拉疲劳裂缝，还可以降低车辆荷载引起的剪应力。
（四）选择防裂性能好的材料
矿料矿质原材料对路面质量和使用寿命具有决定性作用。
1．在进行半刚性路面设计时，首先应选用抗冲刷能力好，干缩、 温缩系数小、抗拉能力高的半刚性材料作基层。
2．为保证沥青的针入度、延度等指标应选用松弛性能好的优质沥青做面层；在缺少优质沥青的情况下，应采用某些添加剂或聚合物。
3．在稳定度满足要求的前提下，优先选用针入度较大的沥青作面层。
4．采用密实型沥青混凝土面层。
5．应选用表面粗糙、石质坚硬、耐磨性强、嵌挤作用好、与沥青粘附性好的材料作为沥青混合料的集料。
6．合理选配混合料级配时，应兼顾其高温稳定性，疲劳性能和低温抗裂性能，以及路表特性和耐久性等各方面的要求。
7．为进一步提高表面层的抗温度裂缝能力，可采用橡胶沥青或
聚合物改性沥青在沥青混凝土表面作封层。
（五）设置应力吸收层
1．在基层与面层之问铺橡胶沥青中间层、预制织物膜带条、土工 织物或土工格栅中间层、低粘度沥青混凝土层等均匀应力吸收层。
2．为减缓反射裂缝的产生与扩展可采用应力吸收薄膜。
3．橡胶沥青吸收膜，施于面层中间，形成一薄膜或与砂石成一薄层。
五、施工过程控制裂缝
根据规范，通过路面结构设计和厚度计算可以满足沥青路面强度和承载能力要求，基本解决荷载型裂缝产生的问题。对于如何避免或减轻非荷载型裂缝的产生，应从设计与施工两个方面来进行考虑。
一方面严格半刚性基层碾压时的含水量，混合料的含水量不能超过压实需要的最佳含水量或控制在施工规范容许的范围内。半刚性基层碾压完成后，要及时养生。碾压完成后或最迟在养生结束后应立即用乳化沥青做透层或粘层，然后应尽快铺筑沥青面层。
另一方面控制好制备沥青混合料时加热时间和温度，加强碾压，可减少反射裂缝。
为减少路面裂缝的出现，应在铺设沥青面层前，就采取裂缝预防措施和处理技术。特别是在道路建设初期采取措施阻止裂缝的形成，这将大大减少裂缝的产生。
（一）设计方面
1．设计混合料合成级配不合理
矿质混合料设计矿料的合成比例决定了矿质混合料合成级配，JTJ032—94《公路沥青路面施工技术规范》要求，矿质混合料合成级配应使包括0.075mm、2.36mm、4.75mm筛孔在内的较多筛孔的通过率接近技术规范级配范围的中值，但“规范”未区别各地气候差异道路交通条件和不同油面层位的功能要求进行合成矿料级配调整，设计时片面强调按密实级配原则设计矿质混合料，这类沥青混合料结构强度受温度影响较大，通常表现为低温抗裂性和密水性较好，高温抗变形能力差此类教训是深刻的，国内因为沥青混合料矿料级配设计不合理，通车后不久发生早期损坏的实例恐怕不止以个位数来统计江西地处热区，通常沥青混合料组成设计时应综合高温稳定性、密水性和表面层防滑、抗裂性要求。
2．路面结构设计不合理
沥青路面早期损坏与路面结构设计不合理有很大关系，从现有沥青路面结构早期损坏情况看，不可否认，在沥青路面结构设计方面存在一定的不合理性。很多地区尽管沥青路面早期破坏的现象和特征不尽相同，但对于水损坏、车辙等与设计路面结构设计密切相关的早期损坏是普遍存在的。对于我国现行沥青路面结构设计存在的一些问题。
3．在进行半刚性路面设计时，首先应选用抗冲刷性能好、干缩系数和温缩系数小、抗拉强度高的半刚性材料做基层。
4．选用松弛性能好的优质沥青做沥青面层。在缺少优质沥青的情况下，应采取改善沥青性质的措施。
5．在稳定度满足要求的前提下，优先选用针入度较大的沥青做沥青面层。
6．沥青面层采用密实型沥青混凝土。
7．采用合适的沥青面层厚度，确保半刚性基层在使用期间一般不会产生干缩裂缝和温缩裂缝。
8．为进一步提高表面层抗温度裂缝性能，可采用橡胶沥青或聚合物沥青在沥青混凝土表面做一封层。
9．设置应力消减（应力吸收）中间层。
（二）施工方面
1．施工配合比的控制沥青混合料材料组成设计分为目标配合比设计、生产配合比设计、生产配合比验证三个阶段，为了保证设计沥青混合料各层的结构功能，优化矿质混合料组成设计时对目标配合提出了较明确的要求，并通过目标配合比设计确定了各冷料仓材料比例和沥青用量。
2．拌和温度和拌和时间控制拌和料生产时，沥青和骨料的加热温度与拌和时间控制将直接影响沥青混合料的均匀性和质量。当沥青或骨料加热温度过高，会使沥青产生老化常见沥青混合料出现枯料、没有色泽，沥青或骨料加热温度过低或拌和时问不够时，常易出现花白料，沥青混合料均匀性差或出料温度偏低，影响摊铺和压实质量。
3．沥青混合料摊铺沥青混合料应保持连续、匀速地摊铺，为保证沥青混合料的均匀性，一般中、下油面层宜采用两摊铺机成梯队平行摊铺，表面层宜选用一台宽幅摊铺机整幅摊铺，以消除纵向接缝可能出现的不平整和结合部沥青混合料出现离析而引起松散。
4．严格控制半刚性基层施工碾压时的含水量，混合料的含水量不能超过压实需要的最佳含水量或控制在施工规范容许的范围内。
5．半刚性基层碾压完成后，要及时养生。
6．半刚性基层碾压完成后或最迟在养生结束后应立即用乳化沥青做透层或封层。
7．透层或粘层完成后，应尽快铺筑沥青面层。实际上按照现行沥青路面设计规范要求，沥青路面厚度设计相对偏厚，目前采用的半刚性基层收缩性都比较小，施工工艺水平有很大提高，所以新建半刚
性沥青路面上出现的裂缝绝大多数是沥青路面本身产生的温度裂缝。
六、路面裂缝的形成也是管理上的问题
近几年，我国的高速公路发展非常快，总里程现在已经跃居世界第二，但在发展的过程中，也出现了一些不好的现象，一些地区盲目攀比，不按科学规律办事，过分地追求高速度。由于盲目追求速度，一些技术方面的问题就不能及时处理到位，例如软土层的处理问题，国外的经验普遍是提前几年先修路基，运行几年后让其自然下沉，然后再修基层和面层，这样路基和路面就比较稳定了而一些地区由于片面追求速度，就没时间解决这些问题。
七、根治
沥青路面常见病害的根治应从管理、设计、施工、材料四个方面着手，来解决路面一方面的问题沥青路面早期损坏的防治应本着“预防为主、标本兼治”的原则进行，通过合理的设计、选材，加强施工过程中各个环节的质量管理，提高沥青路面的使用品质，避免或最大限度地减少病害发生。
八、结束语
造成沥青路面早期病害的原因具有多样性、复杂性的特点，它们是相互影响、复杂交错的，应注意从沥青路面的基层材料、沥青材料、沥青混凝土的级配、空隙率、压实度、沥青与集料的粘附性、施工等方面综合考虑，采取有效的防治措施，提高使用性能，延长沥青路面的寿命。
综上所述沥青路面质量好与坏，不止是施工单位单一的质量控制，还涉及到设计水平，政府行为，因此，为了建好路消除沥青路面的常见病害。需要各部门齐心协力，坚决杜绝今年竣工明年返工的现象，因为沥青路面特别是高级路面造价较高，而我国目前还处于初级阶段国家并不富裕，集资修路很不容易。所以我们每一个部门包括政府，设计、施工都应齐心协力修好路，才能从根本上减少沥青路面的早期破损现象的发生，使我省公路建设质量全面提高，更上新台阶。
