沥青混凝土罩面层反射裂缝产生机理与防治措施.pdf

公路 交通技术2 0 1 2年 1 0月 第 5期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t O c t ． 2 0 1 2 N o ． 5 沥青混凝土罩面层反射裂缝产生机理与防治措施 羊 明， 彭 夔 ( 贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司， 贵阳5 5 0 0 0 0 ) 摘要： 旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层后 ， 下板的接( 裂) 缝会在加铺层表面反映出来， 这种与下板接( 裂) 缝相 对应的裂缝称为反射 裂缝 。对反射 裂缝产生及扩展机理进行探 讨 ， 提 出反射裂缝 的防治措施 。 关键词： 反射裂缝； 影响因素； 应力分析 文章编号： 1 0 0 9 — 6 4 7 7 ( 2 0 1 2 ) 0 5 — 0 0 4 1 — 0 4 中图分类号： U 4 1 6 ． 2 1 7 文献标识码： B Me c h a n is m o f Pr o d u c t i o n o f Re f le c t io n Cr a c k s i n As p h a lt Co n c r e t e 0v e r l a y a n d Tr e a t me ri t Me a s u r e s YANG Mi n g． P ENG Ku i 1 反射裂缝的产生 旧水泥混凝土路面板及其上面的沥青加铺层组 成 的路面结构是一种复合式路面结构 ， 其应力应变 特性与一般 的柔性或刚性路面有较大区别 。由于接 ( 裂 ) 缝 的存在 ， 致使 旧水泥混凝土路面作为基层 的 整体强度降低 ， 在荷载和温度应力作用下 ， 沥青混凝 土加铺层处于复杂的三维应力状态。车辆行驶经过 不连续的板体时， 沥青混凝土加铺层由于接( 裂) 缝 两侧相邻板块产生竖向位移差而出现较大的剪切应 力 ， 这种剪切应力是沥青混凝土加铺 层产生荷载型 反射裂缝的最主要原 因。所 以， 如果 沥青罩 面层与 旧路面板之间粘结 良好 ， 出现反射裂缝通常有 以下 2种 。 1 )温度型反射裂缝 ： 外部环境对混凝土路面温 度 的影响可以按 日变化温度和年变化 温度来考虑。 在年变化温度作用下 ， 由于作用周期长 ， 沥青罩面层 的顶面与底面温度较接近 。在寒冷季节 ， 旧混凝土 板产生收缩变形 ， 在沥青罩面层 内产生拉应力 ； 在炎 热的夏季 ， 旧混凝土板膨胀 ， 在沥青罩面层中产生压 应力 ， 由此产生反射裂缝。在 日变化温度作用下 ， 沥 青罩面层顶面温度变化较大， 底面温度变化较小 ， 使 沥青罩面出现翘曲变形 。随着温度 的下 降， 在 罩面 层顶面产生拉应力 ， 底面层产生压应力 。温度 变化 越大 、 越快 ， 产生的应力越大 ， 罩面层越容易开裂 。 2 )荷载型反射裂缝 ： 当汽车轮胎经过接缝时荷 载作用于旧路面板接( 裂) 缝的一侧， 旧路面板在这 收稿 日期 ： 2 0 1 2 — 0 3 — 2 7 作者简介 ： 羊明 ( 1 9 8 0 一) ， 男 ， 湖南省邵东县人 ， 硕士 ， 工程师 种荷载作用下 ， 缝两侧的板产生相对竖向位移差 ， 沥 青罩面层中剪应力增大 ， 造成剪切型反射裂缝； 还有 就是荷载作用在旧路面板接缝 的顶面 ， 由于接缝处 的旧路面板不能承受拉应力 ， 所以接 ( 裂) 缝处顶面 沥青罩面层 中弯拉应力最大 ， 也容易引起弯拉 型反 射裂缝 2 影响反射裂缝的因素 除了温度 、 行车荷载等外界因素外 ， 路面结构本 身特性对反射裂缝的产 生也有一定影响 ， 如水泥混 凝土板的模量 、 厚度 ， 混凝土板长度 ， 水泥板接缝 宽 度 ， 基础模量和基础脱空等。另外 ， 旧路面与罩面层 之间的层间粘结性能对反射裂缝的产生也有一定影 响。 对于荷载型反射裂缝 ， 在汽车荷载作用下 ， 对罩 面层 中的应力分析结果表明： 汽车荷载应力随层间 界面粘结能力的减小而增大 ， 随罩面层厚度 的增加 而减小。 各种因素对反射裂缝产生可能性的影响分析见 表 1 。 由表 1可知 ， 影响温度 型反射裂缝 的主要因素 包括罩面层劲度模量 、 罩面层与 旧路面的粘结力 、 旧 路面板 的线收缩系数 、 罩面层厚度 、 接缝宽度 、 混凝 土板的弹性模量及其厚度 ； 影响剪切型反射裂缝的 主要 因素有接缝传载能力 、 罩面层的劲度模量 、 罩面 层厚度 、 罩面层泊松 比。其 中罩面层 厚度 既影响温 度型反射裂缝， 又影响剪切型反射裂缝。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 2年 表 1 反射裂缝影响因素分析 总之 ， 当接缝宽度较小 、 旧路面板较长 、 路 面材 料线收缩系数较大而层 间粘结又较紧密时 ， 罩 面层 中最可能产生温度型反射裂缝 ； 相反 ， 在 旧路面板厚 度较小而层间粘结又较差的情况下 ， 罩面层 中容易 产生荷载型反射裂缝 ； 如果混凝土板接缝 的传荷能 力很差 ， 那么在罩面层 中产生荷载型反射裂缝的可 能 性 最大 3反射裂缝的扩展 传统强度理论认为 ， 当沥青罩 面层 中某点的临 界应力超过沥青混凝土本身 的极限强度 时， 沥青罩 面层即达到破坏状态 ， 而实 际上并非如此 。沥青罩 面层中的反射裂缝从其产生到整个路面破坏 ， 中间 要经历一个裂缝扩展阶段 ， 即反射裂缝在罩面层厚 度方向上竖向扩展和其表面横向扩展的过程。 3 ． 1 反射裂缝的竖向扩展 断裂力学认为 ， 裂缝的扩展有 3种模式： 张开模 式 、 剪切模式 和撕开模式。其 中温度应力对反射裂 缝影响的模式为张开模式 ， 行车荷载对反射裂缝影 响的主要模式是张开模式和剪切模式。当车轮驶经 裂缝的正上方时， 反射裂缝呈张开模式 ； 当车轮在裂 缝之前和之后的位置时 ， 以剪切模式影响反射裂缝。 撕开模式在罩面层 中不常出现。 与张开模式相对应的温度型反射裂缝通常产生 于罩面层的底部 ， 而后向上逐渐扩展到罩面层顶面。 对于正荷载作用下 的张拉位移模式所对应的反射裂 缝 ， 一般产生于罩面层的底面 ， 在周期性荷载的作用 下垂直 向上扩展。在偏荷载作用下 ， 反射裂缝 以剪 切模式在罩面层 中向七扩展。 当车轮荷载 ( 偏荷 载 ) 和温度 应力共 同作用于 复合罩面结构时 ， 裂缝 的扩展介 于偏荷载和温度应 力作用之间， 比偏 荷载作用下的裂缝扩展线路更垂 直一些 。 3 ． 2 反射裂缝的横向扩展 众所周知 ， 反射裂缝在瞬问不可能贯穿整个路 面宽度， 除非在应力作用时， 裂缝的长度已经等于或 大于相对整个路面宽度的临界长度 ( 这里的临界长 度是指当裂缝 的长度接近或大于该长度 时， 裂缝 的 扩展非常快而且是不稳定的) 。其发展过程是裂缝 首先在路 表面某些位置产 生， 然后再 向两 侧扩展。 一 般情况下 ， 反射裂缝多出现在轮迹处 ， 因为温度对 反射裂缝的影响在整个路面宽度 内都是相同的 ， 而 行车荷载则是以一定 的频率分布在车道上 ， 尤其在 渠化交通的道路上。 综上所述 ， 对反射裂缝产生 和发展 的机理有如 下认识。 1 )温度应力引起反射裂缝的产生 ， 并“ 参与” 了 其最初的发展 ； 荷载应力加速 了裂缝 的发展。这 2 点认识在特定环境 、 路况及交通等条件下是正确的。 分析反射裂缝 的产生和发展 时， 温度应力和荷载应 力都应考虑 ， 但其相对重要性是随气候 条件 、 罩面材 料性能、 交通状况 、 旧路面损坏状况等的不同而不同。 2 )影响反射裂缝 的因素 ， 除温度 、 行车荷载外 ， 路面结构特性对反射裂缝 的产生也有一定 的影响 ， 其中罩面层与旧路面的粘结特性 、 罩面层模量 、 板长 度 、 罩面层厚度等对温度型反射裂缝有较大的影响 ： 路面板接缝的传荷能力 、 罩面层模量 、 罩面层厚度等 对荷载型反射裂缝有较大的影响。 3 )沥青罩面层 中的反射裂缝从其产生到破 坏 经历了 3个阶段 ： 产生 、 发展 、 破坏 ， 其 中发展阶段包 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 5期 羊明， 等： 沥青混凝土罩面层反射裂缝产生机理与防治措施 4 3 括裂缝在罩面层厚度方向上的扩展和在其表面的横 向扩展。即使路面出现了反射裂缝 ， 如养护及时 、 减 少环境因素的负效应 ， 控制反射裂缝的进一步扩展 ， 那么存在反射裂缝 的罩 面结构就 不会在短期 内破 坏 。 根据 以上分析 ， 裂缝产生 的原因是路面无法承 受因底层移动而产生的剪 应力 与拉伸应力。因此 ， 在沥青罩面层下面加铺土工布或玻璃纤维格栅 ， 或 采用传力杆作为沥青混凝土抗拉伸的增强材料 ， 就 可以达到抑制应力 ， 释放应变 ， 减少裂缝 的目的。 4防治反射裂缝措施 防治反射裂缝 的措施大致可以分 为以下几种 ： 增加沥青层厚度 ， 设 置应力 ( 应变 ) 吸收薄膜夹层 ， 设置结合隔离层 ， 处治旧路面板等 。 4 ． 1 增加沥青层厚度 反射裂缝明显受沥青层厚度 的影 响， 厚度超过 1 5 c m的面层可 以有效吸收反射裂缝的扩展引起的 应力 ， 还可以降低车辆荷载引起 的剪应力 。当然 ， 过 分增大面层的厚度会造成浪费 ， 故应适 当增大沥青 面层 的厚度。 4 ． 2 设置应力吸收夹层 在基层与沥青加铺 层之间设置 中间夹层 ， 可 以 起到防水排水及缓冲变形的粘结作用。夹层 的种类 很多 ， 模量也相差较大 ， 常用 的有沥青或改性沥青混 合料 、 乳化沥青及改性沥青石屑 、 改性沥青防水油毡 和土工材料 夹层等。高模 量的夹层 ( 如 土工织物 、 土工 网格或格栅) ， 可以起到加筋稳定作用 ， 这类材 料有较高的强度 ， 同时又有较好 的耐高温性能。低 模量的夹层用在旧水泥混凝土路面与沥青加铺层之 间， 可 以吸收或缓冲裂缝尖端 的应力集中， 对于抑制 反射裂缝的产生和扩散有一定的效果 。如果设置 了 1 层能与上下层粘结 的高塑性形变缓 冲层 ， 因其具 有抗变形能力强 、 劲度模量低 的特点 ， 故变形通过缓 冲层传递至加铺层便可以起到降低裂缝应力峰值的 作用。 4 ． 2 ． 1 土工布防治反射裂缝 土工布防治路面反射裂缝 的特点可归纳为如下 4个方面。 1 )隔离作用。铺放土工布作为间隔层 ， 将开裂 的基层与沥青混凝 土面层 隔离 ， 避免 了基层与沥青 混凝土面层的直接接触。虽然基层裂缝拉应力不能 直接传递到沥青混凝土 面层 ， 减小 了下层与面层问 的结合力 ， 但沥青粘合料 能将土工布与下层和新铺 面层连成一整体 ， 共同承受车辆荷载的作用 ， 可以减 少界面上下层的相对位移 。 2 )加筋作用。土工布具有一定 的抵抗基层裂 缝拉应力的能力， 当基层裂缝拉应力增大并大于土 工布的抗拉强度时 ， 土工布开始变形 ， 此时面层才开 始承受土工布传 递上来 的拉应力 。若 层 问无 土工 布 ， 面层将承受基层裂缝的全部拉应力 ， 显然土工布 起到加筋的作用 。其提 高 了路 面结 构层 的抗拉 强 度 ， 从而可适 当减薄路面结构层 的厚度。 3 )消能缓 冲作用。土工布为具有一定延伸量 的材料 ， 有较好的柔韧性 ， 铺设在半刚性基层与沥青 混凝土面层之问 ， 相当于设置 了一弹性层。基层 裂 缝拉应力通过土工布间层扩展至更宽范围， 从而可缓 解裂缝处应力强度 ， 起到吸收部分拉伸能量的作用。 4 )隔水 防渗作用。土工布的孔 隙被 ( 橡胶 ) 沥 青粘合料封闭后 ， 形成完 整的织物一沥青体系隔水 防渗层 ， 可隔断路面水 向下面渗透 ， 从而保护基层的 强度 。 综上所述 ， 土工布用于沥青混凝土面层与基层 之间可有效抑制裂缝 向上扩展。实际工程 中， 若要 发挥土工布的抗拉作用及吸能作用 ， 关键是要保 证 土工布与沥青罩面之问有很好 的附着力 。虽然土工 布在防治反射裂缝方面具有 以上功能 ， 但土工布材 料必须满足如下条件。 ( 1 )柔韧性。用于防治反射裂缝的材料要有 良 好 的柔韧性能 ， 可有效吸收裂缝的拉应力 ， 能阻止拉 力向上传递。材料的柔性以抗拉强度和延伸率来表 示 ， 韧性则体现在材料的局部承载能力上， 材料的顶 破强度可反映这一性能 。 ( 2 )均匀性。产生沥青路面裂缝拉应力的方 向 是异向的， 事先很难确定 ， 这就要求用于防治反射裂 缝 的材料强度无明显方 向性 ， 即要求材料具有抗拉 强度的各向均匀性。 ( 3 )耐高温性。沥青路面施工工艺要求温度一 般在 1 5 0℃左右 ， 因而防治反射裂缝 的材料应具有 一 定的耐温性能 ， 在相应的温度条件下 ， 材料的物理 力学指标仍能满足工程要求。 ( 4 )附着性 。沥青路面施工工艺要求先在开裂 路面上喷洒沥青胶油 ， 再热铺沥青混凝土面层。若 在沥青路面与基层之 间铺设 防治反射裂缝 的材料 ， 则该材料应与沥青胶油有 良好 的附着力 。 4 ． 2 ． 2玻璃纤维格栅防治反射裂缝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 01 2丘 玻璃纤维的主要成分属硅酸盐 ， 是一种理化性 能极其稳定的材料 。经表面改性并涂覆处理后 ， 与 沥青混合料的相容性得到提高。玻璃纤维格栅是以 玻璃纤维为原料 ， 采用一定 的编织工艺制成 的网状 结构。玻璃纤维格栅用于旧路沥青罩面改造具有如 下特性。 1 )高抗拉强度。玻璃纤维格栅 的抗拉强度约 为 3 7 1 MP a ， 抗拉模量为 6 0 0～1 8 0 0 M P a ， 温度改变 时 ， 抗拉强度和抗拉模量与温度 的关系不明显 。高 模量的玻璃纤维具有 巨大的强度／ 重量 比， 在 2 0 q C 时其弹性模量与沥青混凝土弹性模量 比高达2 0： 1 ， 故玻璃纤维格栅为抵抗裂缝提供 了足够的刚度 。 2 )低延伸性 。玻璃纤维格栅 的应力应变 曲线 实际上近似于一垂直直线 ， 表明材料具有很 高的抗 变形能力 ， 断裂延伸率小于 4 ％ 。 3 )无蠕变性 。土工布在初期加载时很稳定 ， 但 在长时间的荷载作用下会发生蠕变 ， 而玻璃纤维不 会发生蠕变 ， 这就保证 了其长期稳定性能。 4 )与沥青混合料 的相容性。特殊设计 的聚合 物涂层和沥青具有很高的相容性 ， 每根纤维都完全 涂裹， 以保证其在沥青混合料 中不会 滑动 。玻璃纤 维格栅经表面有机涂层处理后与混合料有机物特别 是沥青材料具有很好 的相容性 ， 并彻底改善 了玻璃 纤维格栅不耐磨 、 不耐折的缺点 ， 可以发挥其优 良的 技术性能。 5 )高温 稳定性。玻璃纤维 的融化点 是 1 0 0 0 ，这就保证了其在高温摊铺时的稳定性。 6 )化学稳定性。特殊设计的聚合物涂层 ， 能够 防止化学 侵蚀。在 5 ％ 的 N a O H溶 液 中浸 泡 2 8 d 后 ， 剩余强度仍大于原来的 5 0 ％。 7 )物理耐久性 。特殊设计 的聚合物涂层 ， 可 防 止化学侵蚀和各种物理磨蚀 ， 还能抵抗生物侵蚀 ， 紫 外光照射和气候变化。 8 )嵌锁和限制作用。沥青混凝土通过压 实获 得压缩强度 ， 混合料中的集料必须选择 ， 以保证其在 结构中起嵌锁和 限制作用。粘稠沥青 ( A C ) 在结构 中起胶结集料的作用 ， 因为集料穿过玻璃纤维格栅 结构 ， 形成了一个复合的力学嵌锁体系 ， 这种限制 区 域阻碍了集料运动 ， 从而使沥青混合料得到更好 的 压实 ， 具有 更大 的承 载能力 ， 并 能提高传递荷载 能 力 ， 减少变形 ， 在道路罩面中起到骨架作用 。 9 )抗剪附着力。特殊设计 的聚合物涂层能使 玻璃纤维格栅在加 固罩面 中具有 足够 的附着力 ， 并 在沥青混凝土罩面中起骨架作用。 玻纤格栅铺设在沥青 面层 的下面层 中， 可与沥 青成为一个整体 ， 并可发挥其低延伸率的特点来减 少路面的弯沉量 ， 保证路面不会发生过度变形。 4 ． 3 设 置 隔离层 做法是清除接缝 、 裂缝内的杂质和填缝料 ， 并在 缝两侧撒 1层乳化沥青粘结料和 1 层砂或石屑并碾 压密实。目的是减少沥青层和旧水泥混凝土层 问的 摩阻力 ， 抑制反射裂缝扩展。 4 ． 4 处治 旧路 面板 由于反射裂缝 主要是 由基层缺 陷引起 ， 因此对 旧水泥混凝土路面板已存在或可能出现 的缺 陷进行 系统处治是关键， 其处治质量的好坏直接决定反射 裂缝是否出现或延迟 出现的期 限， 在设计与施工中 应引起足够重视 。 5结语 沥青混凝土加铺层 的反射裂缝是不可避免 的， 也是无法完全消除的， 但是 ， 只要掌握其反射裂缝形 成的机理 ， 就能从源头上采取措施来减 少其发生 的 机会 ， 或将裂缝发生的时机延后 ， 并控制裂缝发生 的 数量和规模 ， 从而延长道路使用寿命 ， 减少后期维修 费 用 。 参 考 文 献 [ 1 ] 于宝 明． 反射裂缝研究 与旧水泥混 凝土 道面上 沥青混 凝土加铺层的设计[ D] ． 上海： 同济大学， 1 9 9 1 ． [ 2 ] 张晓冰， 杨军， 黄晓明， 等． 玻璃格栅加筋沥青混凝 土路 面试验及施工 方法研究 [ J ] ．中国公路 学报， 1 9 9 7， 1 0 ( 3 ) ： 3 2 - 3 6 ． [ 3 ] 凌天清 ， 段平 ， 李修 磊． 沥青加铺 层反射 裂缝疲 劳模 拟试验研究[ J ] ． 西部交通科技， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ： 1 0 - 1 3 ． [ 4 ] 王敏， 张东长， 窦彦磊． “ 白改黑” 工程中常用反射裂 缝防治材料效果分析研究 [ J ] ． 公路交通技术 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 3 8 - 4 2 ． [ 5 ] 卢拥军． 沥青加铺层 改造 旧水泥混 凝土路 面疲劳试 验 与实际效果对比分析[ J ] ． 现代交通技术 ， 2 0 1 0 ， 7 ( 2 ) ： 8一l 2． [ 6 ] 陈洪江． 土工织物在道路反射裂缝防治中的应用[ J ] ． 武汉城市建设学院学报， 2 0 0 0 ， 1 7 ( 3 ) ： 1 3 - 1 7 ． [ 7 ] 严家友． 沥青材料性能学[ M] ． ] E 京： 人民交通出版社 ， 1 9 9 5． [ 8 ] 交通部公路科学研究院． J T G F 4 0 --2 0 0 4 公路沥青路 面施工技术规范[ S ] ． 北京： 人民交通出版社 2 0 0 4 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m