（道路与铁道工程专业论文）旧水泥混凝土路面加铺沥青层反射裂缝的成因与防治措施.pdf

摘要 在旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层是改善路面使用性能、提高承载 能力和延长服务年限的主要措施之一。由于旧水泥混凝土路面存在接缝和裂缝， 在交通荷载、环境因素以及二者共同作用下扩展并延伸到沥青加铺层中，形成反 射裂缝。其结果是破坏了路面结构的整体性，影响了道路的使用品质，更为严重 的是裂缝的存在使得路表雨水有可能通过裂缝渗入土基，从而削弱了路基的强度 和稳定性，导致路面的早期破坏。所以目前所面临的主要问题是如何防止或延缓 反射裂缝的产生和发展。本文以揭示反射裂缝产生的力学机理、寻求防治反射裂 缝的最佳措施为主要目的，通过分析比较把土工合成材料夹层防治反射裂缝的方 法作为本文的研究对象，再对夹层防治反射裂缝的作用机理以及夹层材料的使用 效果进行系统、深入的理论分析和室内试验研究。 本文通过理论分析沥青加铺层反射裂缝的产生机理及常用防治措施，并运用 有限元软件a n s y s 分析沥青加铺层在车辆荷载或温度荷载独立作用下及车辆荷 载与温度荷载耦合作用下沥青加铺层层底的应力状况，研究各种因素对加铺层力 学状况的影响，同时采用有限元方法及室内试验对聚酯玻纤布、土工布、土工格 栅等土工合成材料在旧水泥混凝土路面沥青加铺层中的阻裂效果进行分析比较。 关键词：旧水泥混凝土路面；土工合成材料夹层：沥青加铺层；三维有限元；反 射裂缝；防治措施 a b s t r a c t o v e r l a ya s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n ts u r f a c eo no l dc e m e n tp a v e m e n ti st oi m p r o v e t h el e v e lo fp e r f o r m a n c e ，t oi n c r e a s el o a d i n gc a p a c i t ya n de x t e n dt h es e r v i c el i f eo fo n e o ft h em a i nm e a s u r e s a so l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n te x i s tj o i n t sa n dc r a c k s ，e s p a n d a n de x t e n dt ot h ea s p h a l to v e r l a yu n d e rt h ea c t i o no ft r a f l i cl o a d ，e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s a n di n t e r a c t i o no fb o t h , t of o r mr e f l e c t i v ec r a c k t h er e s u l ti st h a tt h ew h o l eu s a g eq u a l i t y h a sb e e nb r o k e na n dm o r es e r i o u s l yi st h er a i nw a t e rf i l t e rt ot h es u b g r a d et h r o u g ht h e c r a c k t h e r e b y , w e a k e n e dt h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo f t h er o a d b e d ，a n dc a u s et h er o a dh a s b e e nb r o k e ne a r i e r t h e r e f o r e ，t h em a i np r o b l e mc u r r e n t l y i n gi sh o wt op r e v e n to r d e l a yt h ee m e r g e n c ea n dd e v e l o p m e n to fr e f l e c t i v ec r a c k i nt h i sp a p e r , t or e v e a l m e c h a n i c a lm e c h a n i s mo fr e f l e c t i v ec r a c ka n ds e e kb e s tm e a s u r e sf o rp r e v e n t i o na n d c o n t r o lr e f l e c t i v ec r a c kt h em a i np u r p o s e t h r o u g ha n s l y s i sa n dc o m p a r i s o n , t h em e t h o d s o fg e o s y n t h e t i ci n t e r l a y e rp r e v e n ta n dc o n t r o lr e f l e c t i v ec r a c ka so b j e c to ft h i sp a p e r , a n d m e c h a n i s mo fr e f l e c t i v ec r a c ka n du s a g eo fi n t e r l a y e rm a t e r i a lc o n d u c ti n - d e p t h s y s t e m a t i ct h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h e o r ya n a l y s eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo fr e f e c t i v ec r a c ko f a s p h a l to v e r l a ya n du s e dp r e v e n ta n dc o n t r o lm e a s u r e s ，a n du s et h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sa n a l y s et h es t r e s sc o n d i t i o nu n d e rt h ev e h i c l el o a do r t e m p e r a t u r el o a da n dv e h i c l el o a da n dt e m p e r a t u r el o a dc o u p l i n g ，r e s e a r c hi m p a c to f v a r i o u sf a c t o r so nt h em e c h a n i c a lc o n d i t i o n so fo v e r l a y , a n dw i t l lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t so nf i b e r g l a s s - p o l y e s t e rp a v i n gm 如g e o t e x t i l e ，g e o g r i d a n do t h e rg e o s y n t h e t i c si nr e s i s t a n c eo ft h eo l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti na s p h a l t o v e r l a yc o n d u c ta n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n k e yw o r d s ：o l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ；g e o s y n t h e t i c si n t e r l a y e r ；a s p h a l to v e r l a y ： t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t ；r e f l e c t i v ec r a c k ；p r e v e n t i o nm e a s u r e s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名匈令数 日期砌年争月伽 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在 其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 石寻忿芍 指导教师签名： 它、恤 日期：纫口年4 月f 眇日日期：跏t o 年l t 月文日 f 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系列数 据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享 受相关权益。 姗繇却漉 日期：知年年月f 沙日 指导教师签名：眇丫良 日期：山t 口年y 月龃 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究目的和意义 由于水泥混泥土路面具有强度和刚度高、使用寿命长、维护保养费用低、抗 磨耗能力强等优点，在我国越来越得到重视和广泛应用。截至2 0 0 7 年底，全国 水泥混凝土路面总里程有8 4 8 8 万公里，并且以每年超过2 0 - 3 0 万公里的速度 增长，到2 0 0 8 年总里程已达1 0 2 3 7 万公里n 3 ，我国已成为世界上拥有混凝土路 面里程最多的国家。由于近年来我国经济的飞速发展，交通量大幅度增加和汽车 载重量的急剧增长，这不仅加速了早期修建的水泥混凝土路面的破坏，而且使新 建水泥混凝土路面出现了大量的早期破坏，使其使用性能下降，严重影响了行驶 车辆的行车舒适性和安全性。因此，我国早期和近期修建的水泥混凝土路面面临 着补强和改建的问题。 目前旧水泥混凝土路面的大修措施主要有：一是加铺沥青混凝土面层；二是 加铺新水泥混凝土面层；三是旧水泥混凝土路面翻修。在旧水泥混凝土上加铺层 沥青混凝土面层，可增强路面整体承载能力，而且还克服了原有混凝土板由于接 缝的存在而平整度不够理想和接缝处易发生病害等缺点。不仅如此，在旧水泥混 凝土上加铺沥青混凝土面层，还可以充分利用旧水泥混凝土路面造价低、施工方 便，且对交通、环境影响小，因此在国内外旧水泥混凝土路面改造工程中应用最 多。旧水泥混凝土路面沥青加铺改造具有以下几方面突出的特性乜1 ： 由于下层是高强度的水泥混凝土板，提高了沥青路面结构的刚度，可以承 受重交通的作用而减少车辙； 显著改善水泥混凝土特别是碾压混凝土路面的平整度，尤其是接缝处的平 整度，有利于提高行车速度、行车的舒适性和安全性； 在表面破损较严重但仍具有足够强度的旧水泥混凝土路面上铺筑一层高 质量面层的复合式路面不仅可恢复其使用功能并可显著地延长路面使用寿命； 可以大大减低水泥混凝土路面的噪声和扬尘，改善道路的环境状况。 加铺沥青层后的复合结构涉及刚性、柔性两种路面结构形式，材料性能差异 大，又由于旧路面板上存在接缝和裂缝，并常常伴有错台、脱空等损坏现象，使 得复合结构中奇异部位尤为突出。在交通和温度荷载的作用下，沥青加铺层在对 应于旧路面板接、裂缝的位置上极易出现反射裂缝。 在交通荷载作用下，旧面层在接缝或裂缝附近的位移将引起接缝或裂缝上方 沥青加铺层内出现应力集中，在荷载的反复作用下，沥青加铺层往往在通车数年 2 第一章绪论 内，在接缝或裂缝附近产生荷载型反射裂缝。在昼夜温差较大地区和冬季降温时 期，路面由于温度变化产生的温度收缩应力和由于温度梯度的存在，1 日混凝土路 面板产生的温度翘曲应力对沥青加铺层有很大影响，如果沥青加铺层与1 日路面板 之间有较好的粘结性能，沥青加铺层在接缝处将产生温度型反射裂缝。当沥青加 铺层出现反射裂缝后，如不及时养护( 填封缝隙) 或修补，雨水会沿裂缝下渗， 在荷载作用下将很快导致加铺层与旧面层的粘结丧失，沥青的剥落，裂缝迅速向 四周扩展和破碎，使沥青加铺层出现严重损坏。这样不但缩短了加铺层的使用寿 命，而且造成经济效益的损失，同时影响了行驶舒适性。故控制与防治反射裂缝 已成为加铺层设计与施工的重点。 为了减少反射裂缝的数量和延缓反射裂缝的发展速度，国内外做了许多研 究，并尝试了各种防治措施，如提高面层厚度、设置应力吸收夹层、土工合成材 料夹层、裂缝缓解层等。其中在沥青加铺层和旧水泥混凝土面板之间设置土工合 成材料夹层是现今常用的方法之一。本文针对几种土工合成材料在旧水泥混凝土 沥青加铺层中的防裂效果，通过有限元模拟分析、室内试验等手段进行了系统的 研究，为实际工程中土工合成材料类型的选择提供指导。 1 2 国内外应用及研究现状 早在2 0 世纪3 0 年代，英国就开始用沥青混凝土加铺的方法修筑连续配筋混 凝土复合式路面。到5 0 年代，美国用这种方法来改建旧水泥混凝土路面。9 0 年 代，我国从美国引进这项技术，并改建多条公路口1 。在旧水泥混凝土路面上加铺 沥青面层已经成为一种公认有效的旧水泥混凝土路面的大修措施。目前，国内对 旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层的研究很多，但还没有形成完整的体系来指导 设计和施工。特别是关于反射裂缝的防治问题，更是国内外的道路工作者研究的 重点。 自6 0 年代以来，各国学者就反射裂缝开展了多方面的研究工作，这些研究 工作概括起来主要可分为四个方面。 反射裂缝的产生机理 交通荷载及温度变化是引起反射裂缝的两大因素。交通荷载主要引起加铺层 的剪切型反射裂缝，在车轮偏荷载的作用下，接缝两侧的变形差过大而引起沥青 加铺层的剪切破坏。温度变化主要引起加铺层张开型反射裂缝。温度变化使得路 面结构产生两种变形，一种是由于温度下降使水泥混凝土路面板产生较大的温缩 而引起接缝处张开变形，另一种是由于昼夜温差导致温度在各结构层中的不均匀 分布，且由于不同材料具有不同的热膨胀系数，造成水泥混凝土板收缩及翘曲而 第一章绪论 3 导致接缝处沥青加铺层张开变形。第二届反射裂缝国际会议形成了以下共识：温 度应力引起反射裂缝的产生，并“参与了其最初的扩展；荷载应力加速了裂缝 的进一步扩展h 1 。 反射裂缝的防治措施 在几十年防治反射裂缝的实践中，各地试验了多种防治措施，涉及整个路面 结构。这些措施大致可分为三类：改菩沥青混凝土罩面层性能、设置中间夹层和 处治旧路面板嘲。 1 ) 改善罩面层性能主要是为了提高罩面层的自身性能一变形能力和抗拉强 度。沥青罩面层应具有足够的变形能力以消散行车荷载产生的应力，但为了避免 出现车辙，其变形能力也不应过大。提高罩面层性能的方法有：应用改性沥青或 在拌合沥青混合料时加入纤维、增加沥青面层厚度、罩面层下部应用加筋材料等； 2 ) 中间夹层系统包括多种防治反射裂缝的措施，应用最多的是土工材料夹 层。可使温度作用下引起的接缝变化及车辆荷载作用下相邻板边的竖向位移被夹 层材料吸收，从而起到降低裂缝应力峰值的作用，常用夹层材料有土工布和土工 格栅； 3 ) 处治旧路面板包括：封填裂缝，破碎、稳定旧路面板。 反射裂缝的分析方法 1 ) 静力平衡分析方法 静力平衡分析法是1 9 7 7 年由a u s t i nr e s e a r c he n g i n e e r s ( a r e ) 在简单的静 力平衡基础上提出的。在分析过程中该模型考虑了水平和垂直的接缝运动引起的 反射开裂：温度下降产生拉应力引起的破坏( 张开模式) ；交通荷载在接缝处形 成变形差引起的剪切破坏( 剪切模式) 。其基本假定是：a 材料是线弹性的，有 关线弹性的假定都适用于此模型：b 旧路面板内温度变化是均匀一致的；c 板的 移动在板长方向是整体、连续的。 a r e 法力学图式简明、计算方法简便，而且考虑了众多因素对沥青加铺层中 应力的影响。但假定较为草率，使得该法不能准确分析加铺层中的应力分布状况。 2 ) 有限元分析方法 在对带裂缝结构进行分析时，有限元方法是一种比较常用、有效的方法。周 德云、倪明、姚祖康、于宝明采用半解析解、二维以及三维有限元分析了荷载应 力对加铺层的影响：国外很多学者采用有限元程序对沥青加铺层中裂缝尖端的荷 载、温度应力分布及其反射裂缝的影响进行了探讨，著名的有o s u 分析模型。o s u 分析模型是1 9 7 7 年由o h i os t a t eu n i v e r s i t y 的m a j i d z a d e h 等人提出的，考 虑了温度变化引起板的水平移动和翘曲变形两种情况下加铺层中的应力分布情 况，并绘成诺谟图来估算沥青加铺层中因温度变化引起的应力值。o s u 法不足之 4 第一章绪论 处是没有考虑加铺层对旧路面板的变形的影响。1 9 9 7 年，才华、张敏江等人对 沥青路面的反射裂缝的断裂疲劳进行了分析和模拟计算，从断裂力学及疲劳损伤 力学的观点出发，探讨了反射裂缝的产生和发展机理，并采用三维有限元中的节 理单元模拟了真实条件下的裂缝扩展嘲。2 0 0 2 年，孙雅珍、赵颖华利用粘弹性与 损伤的分析理论，对含反射裂缝沥青路面进行了三维粘弹性有限元分析，模拟了 裂缝的扩展过程，得到了不同加载时间和不同变温的裂缝扩展情况口1 。2 0 0 3 年， 齐艳应用损伤理论分析了旧水泥混凝土路面上沥青罩面层反射裂缝，通过程序模 拟荷载作用下沥青加铺层中反射裂缝的产生和发展过程，并分析了各结构层模 量、夹层参数、层间接触条件以及板底脱空等对加铺层工作性能的影响哺3 。 3 ) 断裂力学法 2 0 世纪7 0 年代中期，m a j i d z a d e h 首次把断裂力学的原理与方法应用到路面 研究领域，她认为可以通过线弹性断裂力学对沥青路面的疲劳损伤过程加以描 述，并将路面的破坏过程分为三个阶段，即：裂缝初始化阶段、裂缝扩展过程及 失稳断裂过程，并采用断裂力学方法对裂缝的扩展过程和失稳断裂过程进行了模 拟。断裂力学在加铺层中的应用大体有以下三个方面： a 解释夹层防治反射裂缝的机理。早在1 9 8 0 年m o n i s m i t h 就对此作了研究； b 利用室内试验确定沥青混合料的断裂韧性指标，即p a r i s 公式中的a 和n ， 代表人物有s a l a m 和m o l e n a a r ； c 计算裂缝尖端的应力强度因子并预估疲劳寿命。 1 9 7 6 年l y t t o n 等人应用线粘弹性断裂力学研究了沥青路面的反射裂缝。 l y t t o n 和s h a n m u g h a n 以及l y t t o n ，s h a n m u g h a n 和g a r r e n t 以断裂力学为基础 对路面的温度疲劳开裂进行了预估，他们在s h a h i n 和m c u l l o u g h 工作的基础上， 提出了一种进行2 5 以下温度循环引起的路面温度疲劳开裂的预估模型。该模 型的路面温度疲劳寿命由p a r i s 和e r d o g a n 建立的裂缝扩展方程决定。b e n s o n 提出的裂缝扩展方程则在此基础上进一步考虑了老化效应。荷兰d e l f t 大学的 s c a r c p s 等人开发了专门用于分析沥青加铺层内裂缝尖端应力强度因子的程序 c a p a ，1 9 9 6 年第1 1 月第三届世界防治反射沥青路面反射裂缝会议，a h d b o n d t 报告了路面反射裂缝有限元模拟的c a p a 法，并根据位移法计算k i 、k i i 、路面 破损率和断裂疲劳寿命。法国r o s i e r 利用对裂缝尖端选用最佳网格推进程序计 算多层体系裂缝的发展，提出了复合强度因子的表达式并计算复合荷载应力下反 射破裂的疲劳寿命。加拿大a s h a l a b y 研究了沥青路面碾压出现的表面微型发状 裂缝对反射裂缝的影响，温度应力分析采用三维有限元，用位移法计算应力强度 因子，从而求得沥青混凝土层抵抗温度拉裂的疲劳寿命。 国内在这方面的研究起步比较晚，也相对较少，突出集中在2 0 世纪9 0 年代 第一章绪论 5 初长沙交通学院的张起森及其课题组的研究成果1 。主要包括： a 应用线弹性和界面断裂力学以及平面应变有限元模型分析了对称荷载和偏荷 载作用下沥青加铺层内的应力强度因子； b 利用三维光弹试验研究半刚性基层路面的应力场和沥青路面的开裂机理并分 析了裂纹扩展和裂纹稳定性问题； c 通过裂缝梁的纯弯曲试验，研究了沥青混合料的延迟开裂性能和沥青混合料 的粘弹性参数。 评价防治反射裂缝效果的试验方法 1 ) 测力试验n 伽 本试验是在两块断开的水泥混凝土板上贴铺夹层材料，然后一端固定，一端 拉拔，检验不同类型夹层材料的抗拉性能，从而侧面推断出该材料的抗裂能力。 试验时加载速率为5 e m m i n ，可以根据情况予以调整。测力试验比较简单，容易 操作，但不能很好的模拟实际路面情况。 2 ) 试板往返轮载疲劳试验嘲 日本n a g a t o a b c 进行了试板往返轮载疲劳试验( 图1 1 ) ，轮载为9 0 k g ( 单 位压力7 2 0 k p a ) ，试验温度为3 0 。试板结构为橡胶垫层( 硬度3 0 0 ) 厚5 0 r a m ； 水泥混凝土层厚5 0 姗，设缝宽5 r a m ；沥青混凝土层厚5 0 瓶n ；防裂层厚2 5 m m 。试 验了四种试板：沥青混凝土a c ，防裂层r c s ，应力吸收层s a m i 和s a m i - 1 ( 有集 料和乳液) ，其中使用s b s 改性沥青。试验结果表明，a c 开裂寿命2 1 0 0 次，s a m i 则达8 0 0 0 , - - - 1 0 0 0 0 次。控制初始应变为1 3 0l j ，破坏应变为6 0 0u 。试板往 返轮载疲劳试验采用运动的碾压轮模拟车载，与路面荷载实际情况相关性较好， 但没考虑温度变化带来的影响。 o i n | n c , l o n o i n 3 ) m t s 疲劳试验嘲 图1 1 轮载疲劳试验 f 毽1 1w h e e ll o a df a t i g u et e s t 第一章绪论 m t s 疲劳试验( 长安大学) 采用的结构如图1 2 和图1 3 ，采用m r s 加载， 分为弯拉型和剪切型疲劳试验，两块混凝土垫块之间留05 e m 宽的缝隙，加载时 下垫3 c 厚的橡胶或钢板垫层。夹层采用土工布、土工格栅、s t r a t a 应力吸收 层等类型。结果表明：s t r a t a 应力吸收层最好，土工格栅次之，土工布最差。 图12 弯拉型反射裂缝试验模型 f i 9 12 b e n d f a t i g u e t e s t m o d e l 囤13 剪切型反射裂缱试验攫型 f i gl 3s h e a r f a t i g u e t e s t m o d e l 13 本文主要研究内容 本文通过理论分析沥青加铺层反射裂缝的产生机理及常用防治措旌，并运用 有限元软件a n s y s 分析沥青加铺层在车辆荷载或温度荷载独立作用下及车辆荷 载与温度荷载耦合作用下加铺层层底的应力状况。同时采用有跟元方法及室内试 验对聚酯玻纤布、土工布、土工格栅婷土工合成材料在旧水泥混凝土路面沥青加 铺层中的阻裂效果进行分析比较。主要内容包括： 璺 誉学强 _i篙一_鼍 溅塞_ r 啊上警_：|删慧暑冒鎏墨 第一章绪论 7 通过理论分析沥青加铺层反射裂缝的产生机理及常用防治措施，再从断裂 力学角度进一步明确裂缝的扩展模式。 采用三维有限元方法分析在车辆荷载作用下，沥青加铺层厚度、轮胎接地 压强、土工合成材料与上下结构层的粘结性能、旧水泥混凝土板与基层之间脱空、 沥青加铺层弹性模量、土工合成材料弹性模量、旧水泥混凝土板弹性模量、水泥 稳定碎石基层弹性模量、土基回弹模量对沥青加铺层层底荷载应力及变形的影 响，并评价不同土工合成材料夹层的阻裂效果。 采用三维有限元方法分析在温度荷载作用下，降温幅度、沥青加铺层厚度、 模量及土工合成材料夹层模量对沥青加铺层层底温度应力的影响程度，并评价不 同类型夹层的阻裂效果。 采用三维有限元方法分析在车辆荷载和温度荷载耦合作用下，沥青加铺层 厚度、模量及土工合成材料夹层模量对沥青加铺层层底温度应力的影响程度，并 评价不同类型夹层的阻裂效果 通过往返轮载疲劳试验和土工合成材料拉伸试验模拟沥青加铺层荷载型 反射裂缝的产生、发展过程，研究土工合成材料的阻裂效果。 第二章反射裂缝及防治措施研究 8 第二章反射裂缝及防治措施研究 2 1 反射裂缝产生的机理 反射裂缝是指下层旧水泥混凝土板的接缝或裂缝，由于环境( 主要是温度) 的 不断变化与车轮荷载的反复作用，产生位移，沥青混凝土面层在对应于旧路面板 接、裂缝的位置上出现的裂缝。旧水泥混凝土接缝或裂缝附近的位移，包括由于 环境温度的变化而引起i e t 面层板的水平向伸缩和由于交通荷载作用而引起的旧 面层板边缘的竖向弯沉。各地区的环境温度状况不同，各阶段的交通情况和现有 路面结构状况也不相同，因而，反射裂缝的产生可能主要是环境因素( 温度) 引 起，也可能是交通荷载作用引起，或者是二者共同作用造成的。 1 日水泥混凝土板由于温度变化所引起的收缩是围绕在接缝或裂缝间的中线 向内进行的，沥青混凝土加铺在旧水泥混凝土板上，由于旧面层与沥青加铺层的 层间粘附阻力，旧面层板因温度下降而收缩时，会带动沥青加铺层出现相应的收 缩变形。在接缝或裂缝上方的沥青加铺层出现拉应力集中，如果降温梯度较大， 或降温速度较快，面层板的收缩就会较大，产生的温度拉应力是比较大的，这个 应力可能会超过沥青混合料的抗拉强度，加铺层便会出现开裂。温度拉应力大小 随旧面层板的收缩变形量和层间的粘附阻力而变化。接缝或裂缝间距越长，i e t 面 层板与基层顶面间的摩擦阻力越大，板平均温度下降量或下降速度越大，混凝土 板与沥青层之间的粘附作用越强，则沥青加铺层内出现的拉应力便可能越大，沥 青层越容易开裂。这种因温度下降而诱发的裂缝称为温度张开性反射裂缝。i e l 水 泥混凝土面层一般较厚，在寒冷天气中，温度在旧水泥混凝土路面板厚方向不均 匀分布，深度越深收缩量越大，会引起混凝土面板的翘曲，而导致裂缝或接缝处 沥青面层温度翘曲应力过大而开裂。这种因为旧水泥混凝土板翘曲而引起的裂缝 称之为温度翘曲型反射裂缝。 在我国的南方地区，由于气温较高，可能产生的降温梯度较小，降温速度较 慢。在这种情况下，考虑沥青材料的应力松弛性质，由负温差产生的应力可能会 完全松弛，或其差值( 温差应力与松弛应力之差) 不至于超过材料的抗拉强度， 这样沥青路面不可能因为一次降温而开裂。但是，因为气温是呈周期变化的，在 一天之内要经过降温和升温的交替过程，这样就产生了温度应力的拉压反复过 程，有可能导致沥青层因温度疲劳而开裂。研究表明1 ，路面开裂以后，裂缝尖 端的应力强度因子随着面层弹性模量的增大而增大。另一方面，大量的试验资料 证明，温度对沥青混合料的弹性模量具有很大的影响。温度越低，弹性模量越大， 第二章反射裂缝及防治措施研究9 温度越高，弹性模量越小。因此，同样的路面结构，在北方寒冷地区产生低温收 缩的可能性要比南方亚热带地区大得多，因温度而引起的反射裂缝也就较易出 现。 车轮荷载经过接缝或裂缝时对沥青加铺层产生一次弯拉、两次剪切作用，而 且是连续的。当车辆驶近接缝或裂缝时，接裂缝两侧产生较大的相对位移，在加 铺层中造成较大的剪切应力；车辆位于接缝或裂缝顶面时，两板无相对位移或相 对位移较小，加铺层主要承受弯拉应力作用：车辆驶离接缝或裂缝时，在加铺层 内产生与第一次方向相反的剪切应力。可见，当车轮荷载在接缝或裂缝的一侧时， 接缝或裂缝两侧的板端出现竖向位移差，使接裂缝上方的沥青加铺层剪切应力集 中。此剪切应力若超过沥青混合料的抗剪强度，在接缝或裂缝处的沥青加铺层便 会出现反射裂缝。旧面层板越薄，接缝或裂缝处的传荷能力就越弱，基层的刚度 越小，则轮载作用下的竖向位移差便会越大，而沥青加铺层便越可能出现剪切型 反射裂缝。当车轮荷载作用在旧路面板接缝或裂缝的顶面时，由于在接缝处的旧 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，容易引 起弯拉型反射裂缝。大量的结构应力计算和光弹试验结果表明嘲，对于交通荷载 的作用，无论面层底面或基层底面，其拉应力值通常较小，一般不至于超过沥青 混合料的抗拉强度而引起反射裂缝，此时主要取决于剪应力的集中作用。因此， 在车辆荷载的作用下，通常易出现剪切型反射裂缝。同时，轮载重量和作用次数 的增加，也会加剧反射裂缝的出现。这类由交通荷载引起的裂缝统称为荷载型反 射裂缝。 在实际的道路上，温度应力和荷载应力作用是耦合在一起的，交通荷载应力 ( 尤其是非对称荷载在裂缝面上产生的剪应力) 对裂缝的形成和发展的两种作用 是不可忽视的，一是交通荷载应力的疲劳作用( 累积疲劳效应) ，二是交通荷载 应力与温度应力的叠加，交通荷载应力有可能加剧温度裂缝的产生和发展。可以 说，温度应力引起反射裂缝的产生，并“参与 了其最初的发展：第二：荷载应力 加速了裂缝的发展h 。 2 2 反射裂缝的扩展模式 传统的强度理论认为，当沥青混凝土层中某点的临界应力超过沥青混凝土本 身的极限强度时，沥青混凝土层即达到破坏状态。实际上并非如此，沥青混凝土 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 射裂缝在面层厚度方向上的纵向扩展和在其表面的横向扩展n 1 1 。 第二章反射裂缝及防治措施研究 1 0 2 2 1 反射裂缝的纵向扩展 从断裂力学的观点出发，可以认为主要是旧水泥混凝土路面的裂缝或接缝作 为原始的缺陷存在引起了应力集中。由于旧水泥混凝土路面的接缝和裂缝处不能 承受拉应力和剪切应力，导致接缝和裂缝顶面的沥青混凝土容易出现应力集中， 所以这部分沥青混凝土最易损坏。沥青加铺层反射裂缝是在交通荷载及温度的循 环作用下引起路面材料和结构疲劳损伤而逐渐发展形成的。沥青加铺层反射裂缝 扩展过程经历了三个阶段：第一个阶段为起裂阶段，沥青加铺层由旧水泥混凝土 路面接缝或裂缝处存在的缺陷引起；第二个阶段为稳定扩展阶段，沥青加铺层在 交通荷载和温度作用引起的应力集中向上发展并贯穿整个沥青加铺层；第三个阶 段为破裂阶段，沥青加铺层经过一段时间的运营，尤其是在冬季加铺层表面开始 出现裂缝。 断裂力学认为，按裂纹的受力特点和位移特点，可以把它们抽象化为三种基 本类型： ( a )( b )( e ) 图2 1 裂缝基本类型 f i g 2 1c r a c kb a s i ct y p e 张开型裂缝型( i 型) ，如图2 1 ( a ) 所示。正应力0 和裂缝表面垂直， 在正应力作用下，裂缝尖端处左右两个平面张开而扩展，且裂缝扩展的方向和0 作用方向垂直。这种裂缝扩展模式称为张开型裂缝，也称为i 型裂缝。 滑开( 剪切) 型裂缝( i i 型) ，如图2 1 ( b ) 所示。剪应力t 和裂缝表 面平行，而且它的作用方向也与裂缝方向垂直。在剪应力作用下裂缝的上下两个 平面相对滑移而扩展。这种裂缝称为滑开型裂缝，或称为i i 型裂缝。 撕开型裂缝( i i i 型) ，如图2 3 ( c ) 所示。剪应力t 和裂缝表面平行， 而且它的作用方向也与裂缝方向平行。在剪应力作用下裂缝的上下两个平面撕裂 扩展。这种裂缝称为撕开型裂缝，或称为i i i 型裂缝。 第二章反射裂缝及防治措施研究 由温度应力所引起的反射裂缝通常是张开型裂缝( i 型) ，如图2 2 所示， 车辆荷载所引起的反射裂缝通常是张开型( i 型) 和剪切型裂缝( i i 型) ，如图 2 3 所示，当车轮驶经裂缝的正上方时，以张开模式来引起反射裂缝，当车辆驶 经裂缝在裂缝之前和裂缝之后或沿着连续的纵向裂缝行驶时，主要以剪切模式引 起反射裂缝，而在纵缝端部将导致边缘的撕开型反射裂缝( i i i 型) 1 ，如图2 4 所示。 图2 2 温缩( 张开型) f i g 2 2t e m p e r a t u r es h r i n k a g e ( o p e nt y p e ) 图2 3 车辆驶近裂缝( 剪切型) f i g 2 3v e h i c l ea c c e s sc r a c k ( s h e a rt y p e ) 图2 4 车辆沿纵缝边缘行驶( 撕裂型) f i g 2 4v e h i c l et r a v e l i n ga l o n ge d g eo f l o n g i t u d i n a lc r a c k ( t e a rt y p e ) 2 2 2 反射裂缝的横向扩展 反射裂缝在瞬间是不可能贯穿整个路面宽度的，除非在应力作用时，裂缝的 长度己经等于或大于相对于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) 。较为合理 的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 第二章反射裂缝及防治措施研究 1 2 同的，而行车荷载则是以一定的频率分布在车道上的，尤其在渠化交通的道路上。 与面层开裂有关的问题是环境因素的负效应，反射裂缝一经出现，水分的浸入、 沥青的氧化以及行车荷载的反复作用，常常加速反射裂缝向四周扩展。因此，如 何延缓反射裂缝的产生和扩展时间，必须从混合料本身着手进行深入研究。 2 3 反射裂缝的不利影响 沥青路面出现裂缝是路况恶化的征兆，会对路面性能和耐久性产生不利的影 响。这些不利的影响包括： 防水性降低 路表出现任何裂缝，都会使路表谁有机会进入路面结构内部，甚至进入对湿 度敏感的路基土中 引起路基过大的压应力 由于存在裂缝，造成路面板体不连续，在行车荷载作用下将加大板体边缘 的变形，从而在裂缝处传递过大压力至路基顶面。 增大路面的应力和变形 上述的路面结构板体边缘变形，会在路面结构内( 尤其基层) 产生很大的应 力和变形，在行车荷载作用下将缩短这些结构层的寿命。 磨耗层沿着裂缝的破坏 在车辆、水分、霜冻的因素的综合作用下，磨耗层常会沿着裂缝发生骨料或 小块的沥青剥落。 2 4 防治反射裂缝的措施 在几十年防治反射裂缝的实践中，各地试验了多种防治措施，涉及整个路面 结构。这些措施大致可分为三类：改善沥青混凝土罩面层性能、设置中间夹层和 处治旧路面板。具体采用措施有如下几种： 增加沥青加铺层的厚度 增加沥青加铺层厚度，可以增加路面结构的弯曲刚度，减小接缝或裂缝两侧 由交通荷载所引起的竖向位移差，美国地沥青协会( a i ) 试验发现增加加铺层厚度 可以降低旧路面接缝或裂缝处的弯沉量，每厘米厚的沥青混凝土加铺层可降低 2 的弯沉( 最大可达到4 - - - 5 ) 。由于加铺层厚度增加，旧水泥混凝土层的温度 变化就会减少，可以降低由温度变化所引起的温度拉应力。同时，对于较厚的加 铺层来说，裂缝由加铺层底面扩展到顶面需要经历较长的距离，即可以延长其使 第二章反射裂缝及防治措施研究1 3 用寿命。 增加沥青加铺层的厚度，在一定程度上能防止或延缓反射裂缝的产生，但单 纯依靠增加加铺层厚度的方法，缺点也很明显，一方面增加加铺层厚度可能会受 到路面标高的限制，尤其在城市道路、隧道、桥梁中，另一方面增加加铺层厚度， 必将大幅度增加路面造价，而且在夏季高温时沥青混合料高温蠕变易产生车辙， 同时会削弱由于1 日水泥混凝土板作基层而产生的强基薄面的优势，故而这一方法 有很大的局限性。 在沥青加铺层上锯切横缝 在沥青加铺层上，对应1 日水泥混凝土接缝或裂缝处锯切横缝，可以消除加铺 层内因温度收缩受阻而产生的温度拉应力。但这种方法只适用于旧路面结构状况 良好，接缝处板边弯沉较小的混凝土路面。并且必须做好锯缝的密封工作。 设置土工合成材料夹层 国内外最普遍的防治反射裂缝的措施在旧混凝土面层和加铺层之间铺设玻 纤格栅、铺贴土工布和粘贴改性沥青油卷材等土工合成材料。格栅的网孔结构对 网孔内的混合料起了“紧箍作用，使裂缝的张开变形受到约束，抑制了裂缝向 上发展。此时，横向筋受到向外的挤压力，纵向筋受拉，如格栅的网孔尺寸较稳 定，格栅本身的强度大，则可持续较长时间，抑制裂缝的发展。栅抗拉强度虽高， 但不能解决防水问题。土工布抗拉力相对稍低，但其综合性能较好，不但可以减 少和缓解裂缝处的应力集中，在浸透沥青后又能防止路面雨水下渗形成一层理想 的防渗层。改性沥青油卷材的特点是抗拉强度大，延伸率高，具有良好的弹塑性， 可达到防裂又防水的作用。 各种土工合成材料夹层的特点不同，在减少反射裂缝方面所起的作用也不 同。刚度小的软夹层在减少温度引起的反射裂缝中可起到重要作用，但在降低荷 载应力方面作用不大，甚至可能有不良影响，而刚( 劲) 度与沥青加铺层材料相近 的硬夹层，则对降低荷载产生的反射裂缝最为有效，但在减少温度引起的反射裂 缝方面不如软夹层有效。因而，在选择夹层类型时，应对诱发反射裂缝的主要原 因以及不同夹层减缓反射裂缝的效果进行具体分析。 应力吸收层 在旧水泥混凝土板及沥青加铺层之间设置一层橡胶沥青、改性沥青防水毡、 改性沥青砂或柔软沥青混凝土这类应力吸收中间层来防止反射裂缝具有一定的 效果。这是一层能与上下层粘结的高塑性形变缓冲层，由于其具有抗变形能力强 和劲度模量低的特点，变形通过缓冲层传递至加铺层，可以起到降低裂缝应力峰 值的作用，因此能预防或延缓反射裂缝的出现。加铺应力吸收夹层之后，即使加 铺层开裂，而夹层尚未破裂，由于夹层的防渗性能，则能防止水分的进一步下渗。 第二章反射裂缝及防治措施研究 1 4 s t r a t a 系统是美国科氏材料公司开发的专有技术，主要目的是解决水泥路 面维修加铺沥青罩面层的防反射裂缝问题。该系统包括防反射裂缝应力吸收层和 罩面层两部分，其中反射裂缝应力吸收层是该系统的关键，它不但可以延缓反射 裂缝，同时消减行车荷载在水泥板接缝处产生的位移对表面层的疲劳破坏，特别 是其防止水对路面基层的侵蚀的作用是目前其他防反射裂缝方法所不能比拟的。 t r a t a 系统的设计原理是利用高弹性聚合物材料吸收水泥板温度应力和行车荷 载应力，同时消散水平荷竖向位移。由于水泥板的破坏主要源于水损害，因此采 用不透水混合料防止水对路基进一步破坏。而s t r a t a 具有粘弹性高、抗疲劳抗 塑性变形能力强、密实、不透水等特点，能有效减少或缓解旧水泥混凝土板传递 给沥青面层的反射裂缝。它直接铺筑在水泥硅路面上形成防水层，能有效的防止 路面的水下渗入基层，避免基层顶面软化。 裂缝缓解层 沥青加铺层所需的厚度超过2 0 0 咖2 5 5 哪时，其下层9 0 r a m 可以采用由开级 配沥青碎石混合料组成的裂缝缓解层。混合料含有2 5 - 一3 5 的连通空隙，使旧 面层板接缝( 或裂缝) 处的弯沉差难以影响到沥青加铺层的上层，从而减少反射裂 缝产生的可能性。旧混凝土的面层必须清理干净，裂缝和接缝缝隙应重新填封， 破裂板块需修复。而后，在其表面进行洒粘层油处理，再铺筑开级配沥青碎石混 合料。由于开级配沥青碎石混合料含有大量空隙，需妥善处理表面渗入水的排除。 可以采用设置路面边缘纵向排水系统的方案，汇集和排除渗入此层内的表面水， 或者将裂缝缓解层做成全宽式，使表面渗入水横向流出路堤边坡外。迄今所采用 的裂缝缓解层层种类主要为两大类。 1 ) 大粒径沥青混合料裂缝缓解层 通常所说的大粒径沥青混合料( l a r g e s t o n ea s p h a l tm i x e s ，简称l s 心! ) 是 指含有矿料的最大粒径为2 5 - - 一5 3 m m 的热拌热铺沥青混合料。一般用于防止沥青 层反射裂缝的大粒径开级配沥青混合料的空隙率在2 5 以上。美国沥青协会建议 采用最大粒径分别为7 5 m m ，6 3 m m 及5 0 n m n 的开级配沥青碎石作为裂缝缓解层，利 用混合料含有2 5 3 5 的多空隙结构可有效地阻断裂缝尖端的扩展路径。 大粒径沥青混合料裂缝缓解层能够有效防止和减缓旧水泥混凝土路面沥青 加铺层反射裂缝的原因主要有三点： a 大粒径沥青混合料中大粒径矿料多、沥青含量少、空隙率大，这种多空隙结 构可有效地阻断裂缝尖端的扩展路径，消弱拉应力、拉应变的传递能力，并且能 消散、吸收由交通荷载及温度变化所产生的荷载应力和温度应力。此外，大粒径 沥青碎石混合料收缩系数较小，其大粒径、多空隙结构具有较大的塑性变形能力， 可充分吸收接缝释放的应变能减小接缝处加铺层的应力集中，从而延缓反射裂缝 第二章反射裂缝及防治措施研究 向上扩展的速度。 b 温度应力是引起沥青加铺层反射裂缝的主要原因之一，由于大粒径沥青混合 料裂缝缓解层的厚度般为8 - - - 1 2 c m ，该结构的隔离作用大大改善了旧水泥混凝 土路面的温度状况，减少了降温及温度梯度对水泥混凝土路面及加铺层的影响程 度，使水泥混凝土路面板的翘曲变形及接缝的张开位移量均有大幅度降低，因而 可使沥青加铺层在温度作用下的受力状况得以改善。 c 设置大粒径沥青混合料裂缝缓解层后，加铺层路面结构的整体强度有所提高， 可有效地减小沥青加铺层的荷载应力及接缝两侧的弯沉与弯沉差，延缓沥青加铺 层荷载型反射裂缝的产生与扩展。 2 ) 级配碎石裂缝缓解层 级配碎石过去多用于半刚性基层沥青路面防止反射裂缝，在加拿大、南非等 国家及我国的部分省市的试验路已得到了应用，证明其防止反射裂缝的效果良