沥青路面裂缝的成因及防治维修技术.doc

黑龙江省龙建路桥第四工程有限公司28黑龙江省龙建路桥第四工程有限公司 论 文论文题目： 沥青路面裂缝的成因及防治维修技术 作 者： 王崇振 单 位： 黑龙江省龙建路桥第四工程有限公司 项 目： 第五项目 专 业： 道路桥梁工程技术 2015年11月目 录摘要Abstract第一章 绪论41.1 概述41.2 沥青路面裂缝防治研究概况51.3 本课题的提出51.4 本课题的主要研究内容5第二章 沥青路面裂缝类型及成因52.1 反射裂缝52.2 荷载裂缝72.3 温度裂缝72.4 沉降裂缝8第三章 沥青路面裂缝的机理分析103.1 反射裂缝的形成机理103.2 温度裂缝的形成机理123.3 荷载裂缝的形成机理143.4 沉降裂缝产生的机理14第四章 沥青路面裂缝的防治措施164.1 反射裂缝的防治164.2 温度裂缝的防治184.3 荷载裂缝的防治184.4 沉降裂缝的防治18第五章 裂缝的维修技术205.1裂缝的维修方法205.2裂缝的维修20第六章 结论22参考文献附录致谢沥青路面裂缝成因及防治摘 要由于沥青路面具有行车舒 适、抗滑性好、安全性好及扬尘少等优点，而且便于施工和维修，所以是一种较理想的面层结构。但由于沥青材料自身的特性以及施工中不可避免的存在各 种问题，沥青路面裂缝是一个普遍存在的结构顽疾，一直无法得到彻底解决。但实践证明，通过改善原材料性能，采用适宜的配比，以及在施工中采取各种行之有效的措施，就能够减少沥青路面上出现各种裂缝的数量，大大地减缓裂缝出现的时间，延长沥青路面的使用寿命。荷载的分类方法有很多，按其成因分类有：反射裂缝、荷载裂缝、温度裂缝、沉降裂缝。1反射裂缝 反射裂缝是由于下卧层的不连续引起的。反射裂缝发生的基本机理是受拉疲劳、受拉屈服与剪切屈服，在它们的联合或单独作用下导致产生反射裂缝常采用的方法有使用土工织物，对旧混凝土路面采取碎石化处理，在面层下设应力吸收层或过渡层等方法。2荷载裂缝 路面使用期间经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变的交迭状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定的次数后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面产生裂纹。3温度裂缝 沥青面层温度开裂有两种形式，一种形式为由单一的低温作用造成的温度 收缩而产生的温度应力超过沥青混凝土的抗拉应力时开裂，称之为温度收缩裂缝另一种形式是温度疲劳裂缝即经长时间温度环境，沥青混凝土产生疲劳，即使温度应力小于其抗拉强度时 也能产生开裂。4沉降裂缝 主要是由于填土固结沉陷或路基不均匀下沉、路基或基层强度不足引起面层的局部变形导致的裂缝关键词：沥青路面 裂缝 成因 防治 维修Causes and preventions of the asphalt pavement AbstractAs the asphalt pavement has the characters of comfortable traffic, good antiskid property, cleanness, also convenient for construction and maintenance, it is a kind ideal pavement structure. However, because of the asphalt concrete itself characters and various problems in construction, the crack usually is unavoidable. It is certified that by improving the property of materials, adopting reasonable ratio of mixture, and various effective measures, the asphalt pavement cracks can be reduced, prolonged the life. The occurrence time can also be delayed greatly.The classification of cracks have a lot the methods, and according to its becoming cause, the elements of cracks are reflection crack,load crack,temperature affect crack,consolidation crack.1. reflection crack The discontinuity of subjacent layer cause reflection crack. The basic mechanism of reflection crack includ tensile fatigue, tensile yield and shear yield, on the action of unique or combined action of them, reflection crack will occur. The methods usually adopted are using geotextile polymer, smashing old cement concrete pavement, setting up stress absorption layer or transition layer, etc. 2. load crack In the period of the road ,because of the wheel load again and again on the road, the road in a long time is placed in dint or contingency , so the strength of road structure gradually descend. When the load repeated exceed the number of times , with the load ,the strength in pavemets will be littler than the resistance of structure that is descended after load function . the crack will be in the pavements3. temperature affect crack There are two kinds of crack, one is named thermal shrinkage crack which is caused by lower temperature only. Lower temperature will cause thermal stress . The crack occurs when the stress exceed tensile stress which has the characters of vertical to the traffic direction, equal space. Another kind is thermal fatigue crack. Asphalt pavement comes into fatigue after long time temperature affection, cracks occur even thermal stress is less than tensile stress. Lower temperature crack is related with properties of asphalt, mix composition, thickness and category of pavement structure, environment and construction technology, also with traffic.5.consolidation crackThe main cause that is filling soil to sink differently,or the shortage of strength of roadbed and base level strength the shortage cause the cracks.Key words: asphalt pavement , crack ,cause,prevention ,reparation第一章 绪论1.1 概述随着国民经济的发展，道路交通量日益增加，重载交通越来越多，这就对路面质量提出了更高的要求。由于沥青路面具有行车舒适，抗滑性好，安全性好及扬尘少等优点，在高等级公路中得到了广泛应用，特别是半刚性基层沥青路面已经成为我国高等级公路沥青路面的主要结构类型。沥青路面裂缝是造成路面早期破坏的主要形式，而沥青路面裂缝又是普遍存在的，一直无法得到彻底解决，因此，对各种裂缝的发生原因，沥青裂缝的产生机理及沥青路面的防治维修技术进行深入探讨具有非常现实的意义。1.1.1 裂缝的普遍性 沥青路面建成后，不论其基层是柔性的还是半刚性的，都会产生各种形式的裂缝。从相关资料中也发现，无论是南方还是北方，在施工完毕后的一定时间内就会出现一定量的裂缝，并且裂缝随着时间的延续还在增加。沥青路面裂缝的形式是多种多样的，与沥青和沥青混合料的性质、基层材料的性质、气候条件、交通量和车辆类型以及施工因素等有关。裂缝往往不是单独的、稀疏的或较有规则的，而是稠密的，有时互相联系的，甚至是网状的裂缝。 沥青路面上产生裂缝病害，在其他国家，例如美国、加拿大、英国、法国、印度、日本、澳大利亚以及非洲一些国家，也是很普遍的现象。特别在寒冷地区，即使是柔性基层沥青路面裂缝病害也很严重。正如不少学者所说，要求沥青路面不裂是不可能的。1.1.2 裂缝病害的危害性沥青路面于竣工后的第一个冬季产生裂缝后，在以后的冬季甚至其他季节 还可能产生其他裂缝，产生新裂缝的原因是多方面的。例如:特别寒冷的冬天，冬季大幅度降温的反复作用，昼夜大温差的反复作用等，通常认为，裂缝是沥青路面的主要缺陷之一。初期产生的裂缝对沥青路面的使用性能常无明显影响，裂缝主要是影响美观，但随着裂缝的逐渐增加和发展，不仅使沥青路面的品质下降，而且带来路面病害的恶性循环。路面在行车荷载、温度以及气候等因素的共同作用下，产生裂缝，开始产生的单一纵、横向裂缝。在荷载的作用，雨水等地表水的浸蚀，沥青老化等因素的影响下，会发展为不规则的网状裂缝，甚至龟裂。并且裂缝的宽度也会逐渐加大。另外，由于路基、基层承载力的不足，以及交通轴载过重或沥青的老化导致的网状裂缝，路面也会形成裂缝，随着时间的推移，初期的裂缝会从线形裂缝发展为网状裂缝。裂缝加速了沥青路面的破坏，缩短了路面的使用寿命，最终会破坏路面的使用性能，从而造成经济上的巨大损失。1.2 沥青路面裂缝防治研究概况自从沥青路面应用于道路结构上，就开始了对沥青路面破坏形态及其原因的探索，针对破坏形态提出相应的沥青路面的抗裂设计方法。目前，沥青路面结构开裂研究主要应用疲劳断裂力学理论。沥青路面自身出现的裂缝绝大部分是温度裂缝，温度裂缝起始于表面。国内研究表明，采用优质沥青会明显减少温度裂缝，特别是采用改性沥青；在其它条件相同的情况下，采用较稀（针入度较大）的沥青有利于减少温度裂缝。土工格栅加筋复合沥青路面可起到提高路面的抗变形能力，延缓疲劳开裂。我国在上个世纪九十年代开始使用，在欧美等发达国家应用已很普遍。旧水泥混凝土路面改造时，通常采用旧水泥混凝土路面碎石化技术，这样有利于减少反射裂缝的出现。目前，碎石化技术采用较多，最有效的设备是多锤头破碎机（MHB）。1.3 本课题的提出旧沥青路面裂缝的防治是一个常用常新的课题，可以说减少沥青路面的裂缝，预防是关键。坚持预防为主治理为辅的防治思想目前国内所有沥青路面都存在不同程度的裂缝病害，本次论文针对这一问题，理论结合实际，进行系统全面的分析。1.4 本课题的主要研究内容本论文是结合全国大多地区公路现状，针对沥青路面普遍存在大量的裂缝类 病害，结合自身的理论所学，研究沥青路面各种裂缝病害的形成原因及所采取的施工措施，达到最大限度减少沥青路面裂缝的目的。根据旧路调查情况，分析形成裂缝的原因，运用相关理论对裂缝的形成机理进行了分类分析，重点对防治措施进行阐述。第二章 沥青路面裂缝类型及成因沥青面层裂缝类型按其成因大体上可以分为：反射裂缝、荷载裂缝、温度裂缝、以及沉降裂缝。下面是根据自身的理解对各种裂缝的成因进行分析。2.1 反射裂缝反射裂缝，指下卧层不连续处作用在热拌沥青混凝土面层底面的应力超过 了材料的抗拉强度并使面层底面开裂，裂缝逐渐向上延伸，直到穿透面层，反映为表面的裂缝。因此，如果用标准的粘层使较薄的新面层与旧面层结合，下卧层的裂缝几乎经常会在12 年内向上传播通过新面层，形成典型的反射裂缝。 我们习惯所称的反射裂缝是由下卧层的不连续引起的。由于下卧层不连续处（接缝或裂缝）的运动，不连续通过热拌沥青混凝土层传播到表面，最终形成反射裂缝。2.1.1 下卧水泥混凝土路面的裂缝或接缝引起反射裂缝直接在旧水泥混凝土路面上铺筑沥青面层，由于下卧层不够坚实，在行车荷载作用下，水泥混凝土面板发生翘曲变形，沿混凝土面板接缝或裂缝产生变形，造成沥青面层的裂缝。前些年，在北方一些城市中，直接在铁路立交桥下的水泥混凝土路面上直接铺筑沥青面层，形成了比较普遍的反射裂缝现象。近几年，相关部门采取预防措施后这种现象很少发生。2.1.2 旧沥青路面裂缝引起的反射裂缝旧热拌沥青混凝土面层上的低温裂缝、块状裂缝以及旧面层上的纵向裂缝 和疲劳裂缝，在铺筑新沥青面层后，由于下卧层的变形应力超过新面层材料的抗拉强度，造成反射裂缝现象。这种现象经常发生，受资金投入不足的限制，公路养护部门处理旧沥青路面裂缝的方法一般是稀浆封层或做薄层罩面，由于下卧层病害没有彻底处理，往往在通车两年内就出现反射裂缝。2.1.3半刚性基层开裂引起的反射裂缝新铺的半刚性基层随着混合料中水分的散失而产生了干缩和干缩应力，其 收缩的程序和半刚性材料本身强度、组成级配、水分散失的快慢、环境的温差等都有一定的关系。1 昼夜温差大产生收缩裂缝由于温度的变化，白天温度较高，夜间温度下降，基层产生收缩，使半刚性基层处于受拉状态。水泥稳定粒料线膨胀系数在（1.01.5）10-5 之间，当半刚性基层混合料抗拉强度小于收缩应力时，必将产生永久变形，形成横向收缩裂缝。横向贯通裂缝就属于此类型，这种裂缝的特点是：全幅贯通，层间上下贯穿，裂缝较为明显，宽度较大，一般均在 2mm 以上。2 暴露时间长产生温度疲劳裂缝由于基层施工完后，后续工序无法跟上，使基层一起裸露在自然环境中，受阳光、风、雨的作用，尤其是喷洒透层沥青后，形成黑色面层，吸热能力明显增大。在自然环境因素影响下，带状的基层在温度应力的作用下，反复伸缩，发生温度疲劳破坏，产生温度疲劳裂缝。由于基层已产生温度收缩裂缝，故温度疲劳裂缝宽度较小，间距也较温度收缩裂缝稍密。根据相关工程现场调查结果证明：上基层7d 养护期揭薄膜时，横向裂缝较少，间距通常在 50m 以上；随着龄期的增长、裸露时间的增加，裂缝明显增多。3 基层混合料拌和不均匀产生不规则裂缝通过实地调查并分析裂缝的分布情况表明，由于施工过程中原材料质量的 波动、粗细集料比例的变化等原因，将影响混合料的均匀性。其主要影响因素 有：水泥含量，上基层试验配合比的水泥含量为 5%，施工配合比按水泥含 量为 5.5%控制，由于水泥罐的水泥输出波动，使瞬时或时段内水泥输出超量； 集料波动，集料波动包括质量波动和粗细集料比例的波动，如细集料含泥量 偏高，粗集料偏少、细集料偏多、与级配曲线发生偏离等，使基层混合料铺筑 后产生局部段落横向裂缝，其特点是缝多而密、不规则、不一定贯通。4 养生不当产生干缩裂缝承包人根据设计要求或其他规定，比如采用乳化沥青透层养生，要求该透层渗入基层 5mm 深度且不允许在表面形成油膜。但在实际施工中，由于乳液化的破乳时间不一致及乳液中沥青含量不均匀等，将使得基层表面的乳液全部为乳化沥青所封盖。因此，这种施工方法使乳化沥青透层起不到保湿养生的效果，使基层自养生初期起，一直处于较为干燥的状态环境中，加之承包人未能在 7d 养生期满后尽早施工下封层，基层易干缩产生裂缝。经过对有关路段实地调查发现，乳化沥青透层养生效果不佳，不能象薄膜养生那样使基层处于温差较小、湿度相对稳定的环境中增长强度，乳化沥青透层养生基层的裂缝明显多于薄膜养生。5 施工工艺不当产生微细裂缝这类裂缝产生的主要原因有：为使基层表面观感好，在面层补撒过多细料而产生收缩裂缝。由于拌和场混合料含水量的变化调整不当，摊铺碾压时混合料含水量控制不佳，碾压及收轮时含水量偏高易产生细微收缩裂缝。拌和场送料设备异常，造成混合料不均匀，摊铺过程中产生的粗集料窝容易松散、细集料窝容易开裂，通常这类裂缝不明显、不贯通，被水浸湿后较易发现。 2.2 荷载裂缝随着公路交通量的日益增长，汽车轴重不断增大，汽车对路面的破坏作用变得越来越明显。路面使用期间经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变的交迭状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定的次数后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面产生裂纹，产生疲劳断裂破坏。2.3 温度裂缝低温开裂作为沥青路面破坏的主要形式之一，一直受到各国道路工作者的 重视。一般认为温度开裂有两种形式：一种形式为由单一的低温作用造成的温度收缩而产生的温度应力超过沥青混凝土的抗拉应力时开裂,通常称之为温度收缩裂缝,表现为与交通方向垂直,裂缝间距较均匀。其力学原理为:当温度降低时,若沥青料无约束时,则体积收缩。若材料受到约束,正沥青面层的沥青混凝土那样收缩趋势将引起温度应力。当该应力等于材料抗拉强度时,则产生裂缝。 另一种形式是温度疲劳裂缝,即经长时间温度环境,沥青混凝土产生疲劳,即使温度应力小于其抗拉强度时也能产生开裂。低温裂缝是一个十分复杂的问题,与低温破坏有关的因素如下:2.3.1沥青材料的性能沥青劲度，沥青混合料的低温劲度是决定是否发生开裂的根本因素，沥青劲度又是决定沥青混合料劲度的关键，许多试验路段的结果证实横向裂缝的沥青与劲度最为相关。此外，沥青感温性、沥青针入度、延度以及沥青老化性能、含蜡量等,都与低温缩裂有关。 2.3.2沥青混合料组成沥青用量、矿料组成级配、骨料品种也与低温缩裂有关。粒径粗、空隙率大的混合料内部微空隙率较多，应力松弛，极限温度降低，使温度应力减少。例如：中粒式比细粒式的温度应力小，沥青碎石及贯入式的温度应力要比沥青混凝土小。2.3.3路面结构影响如沥青面层厚度、基层的影响、土基的影响。若使用半刚性基层较之级配碎石沥青稳定碎石等柔性基层与沥青面层的附着粘结性能差，尤其是本身收缩(干缩、温缩)的附加影响使横向裂缝多些。基层与沥青面层的附着性能差,将使面层有一定自由收缩变形的可能性,混合料的应力松弛性能得不到充分发挥,温度应力无法传递到基层中去，而在面层内部积累,容易产生干裂。选择粘性土、亚粘土的比砂基层要好些。 2.3.4环境因素如气温、道路上的雨水井等处,都对温度缩裂有影响。降温是产生沥青路面温缩裂缝的直接起因。降温速率越大混合料收缩应变速率越大, 材料的应力松弛性能越难发挥，积聚温度应力越高,易产生开裂。另一方面，即使一次降温未达到破坏温度区,但处于接近该温度的低温状态下,混合料内部也将发生微裂纹，随着低温持续时间延长裂纹不断扩展,也将发生开裂。因此, 温度、降温速率、低温持续时间、温度循环次数是影响温度对沥青路面温缩裂缝的四大环境因素。综上所述,影响沥青路面的使 用性能是多方面的,单从某方面或单个因素的影响来评价是片面的。沥青面层 开裂造成强度与功能的损失主要与面层开裂有关。因此,应将材料性能与路面 结构力学分析体系建立联系,综合体现与开裂有关的多种物理力学特性。2.4 沉降裂缝产生的原因主要是由于填土固结沉陷或路基不均匀下沉一起的，常出现在桥涵的两头、优质地基与软土地基相接处、基半填半挖或路基帮宽处，表现为横向裂缝或较长的纵缝。另外，由于路基或基层强度不足引起面层的局部变形、下沉导致的裂缝，主要表现为网裂和龟裂。2.4.1桥涵的两头的不均匀沉陷工程竣工后，由于桥涵和路基的沉降速度及沉降量不同（一般说来，路基的沉降较快且沉降量较大，而桥涵由于基础较深，沉降量较小），最终导致桥涵两侧的路面出现不同程度的裂缝。主要表现为横向裂缝。2.4.2优质地基与不良地基相接处的不均匀沉陷优质地基由于土质较好，沉降量小，且沉降速度较快，一般在施工期间便可完成或基本完成路基沉降。而不良地基则恰恰相反，沉降量较大，且不稳定。所以往往在这两种地基的相接地段，会产生不均匀沉陷，导致路面开裂。主要表现为横向裂缝。2.4.3路基半填半挖或路基帮宽处的不均匀沉陷对于半填半挖的路基，由于半填部分是原状土挠动后重新压实的，它的沉降速度与半挖部分的原状土的沉降速度是不痛的，所以，竣工一段时间后，由于半填部分沉降快，这样一来，它与半挖部分的路基在填挖的交界处，就产生了较长的纵向裂缝。同样，对于路基帮宽产生的较长的纵向裂缝也是这个道理。由于后填筑的帮宽部分，较原有路基沉降速度较快，一段时间后，必然会因沉降不一致，而产生裂缝。2.4.4路基或基层强度不足引起的局部沉陷局部沉陷主要是由于基层局部填料不良或压实不足、强度不够或者路基排水不畅而导致的路基过湿引起的。主要表现为网裂和龟裂。第三章 沥青路面裂缝的机理分析3.1 反射裂缝的形成机理大量研究表明，反射裂缝产生的基本机理是受拉疲劳、受拉屈服与剪切屈 服，在它们的联合或单独作用下导致产生反射裂缝。天长日久的温度变化引起下卧层的涨缩，使面层承受扯裂作用引起受拉疲劳，产生裂缝并导致裂缝沿竖向扩展到路表。3.1.1 旧路面的裂缝或接缝引起反射裂缝的机理下卧层由于开裂而形成板块，当车辆通过时，相邻板块端部之间的竖向位移差，在面层中引起面层的剪切疲劳而导致开裂，在相邻下卧层板块的嵌锁联结作用完全破坏后，这种剪切疲劳裂缝便产生了。反射裂缝的扩展速度受下卧层板长、下卧层裂缝率的影响，较小的板长和增加裂缝率将降低面层屈服破坏。另外，沥青混合料中的沥青含量、沥青等级、矿料级配、空隙率以及铺筑的面层厚度都对受拉疲劳寿命有影响。3.1.2 半刚性基层开裂的形成机理1 半刚性基层材料的性能用水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料稳定土或处治碎(砾)石以及用各种水硬性材料结合料的工业废渣修筑的基层叫半刚性基层。通常包括石灰土、石灰 粉煤灰(简称二灰)、石灰粉煤灰土(简称二灰土)以及水泥土等以细颗粒组成的材料和以石灰土、石灰粉煤灰、水泥等结合集料组成的材料两大类。 1)热胀特性 半刚性基层材料的宏观热胀性是其固、液、气三相热学性质相互作用综合效应的外观表现。原材料除粉土矿物外，一般具有较小的胀缩系数,而新生胶结物则具有较大的热胀系数。各种形式的水通过扩张作用、毛细管压力作用和冰冻作用,对其冻胀产生相当大的影响。当含水量接近最佳含水量时,半刚性基层材料的温度收缩系数呈现最大值。 2) 干燥特性 半刚性基层材料的干燥收缩主要是通过毛细管张力作用、吸附水及分子间 力作用、层间水作用和硫化作用四个过程而引起整体宏观体积的收缩。半刚性基层材料处于相对湿度和温度不断变化的环境,而相对温度又与湿度成反比。因此,半刚性基层的温度收缩与干燥收缩一般同时发生,而且往往产生相反效应。处于平衡含水量状态的半刚性基层材料,随着内部温度的进一步降低,含水量会有所上升。所以其胀缩率是温度与湿度相互作用的综合效应。半刚性基层一般在高温季节中建成,成型初期内部含水量大,且未被沥青面层封闭。此时基层内部的水分必然要蒸发,从而发生由表及里的干燥收缩。同时,环境温度也存在昼夜温差。所以,修建初期的半刚性基层同时受到干燥收 缩和由昼夜温差引起的温度胀缩疲劳作用的综合效应,这个阶段以干燥收缩为 主,温度收缩为辅的综合过程。经过一定龄期的养生,半刚性基层铺筑沥青面层后,由于基层内相对湿度 增大,使材料的含水量有所回升且趋于平衡,这个时期半刚性基层的收缩主要 是温度收缩。对于含土较多的材料以干缩为主,对于含集料较多的材料以温缩为主。3) 疲劳特性 半刚性基层材料模量随龄期的增长而不断增长，这种基层早期具有柔性路 面的力学特性。当环境适宜时，其强度和刚度都会随时间的增长而增强，但其最终抗弯拉强度和弹性模量还是远小于刚性基层。半刚性基层结构与柔性路面相比,具有强度高、稳定性好、刚度大、整体性好等优点。其不足之处是脆性大、抗变形能力差。当我们在半刚性基层上铺筑较薄沥青面层时,由于沥青对温度的敏感性,以及在疲劳荷载作用下,半刚性基层裂缝便反应到面层上形成反射裂缝。2 半刚性基层裂缝形成机理根据半刚性基层材料的性能可以得 出半刚性基层的裂缝主要产生于其温度收缩、干燥收缩和疲劳荷载作用。 1) 温度收缩机理 半刚性基层的无机结合料稳定料是由固相(组成其空间骨架的原材料的颗粒和其间的胶结料)、液相(存在于固相表面与空隙中的水和水溶液)和气相(存在于空隙中的气体)组成。无机结合料稳定材料的外观胀缩性的三相在降温过程中相互作用,使无机结合料稳定材料产生体积收缩即温度收缩。一般气相大部分与大气贯通,在综合效应中影响较小,可以忽略；原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩系数较小,粉粒以下的颗粒温度收缩性较大。无机结合料稳定材料固相颗粒大部分为结晶和部分非结晶体,其热学性质由质点间的键性和热运动以及结构组成所决定。无机结合料稳定料内部广泛分布有大空隙、毛细孔和胶凝孔。自由水存在于大空隙中，毛细水存在于毛细孔和胶凝孔中，结合水存在于一切固体表面，层间水存在于晶胞和凝胶物层间，结构水和结晶水存在于矿物晶体结构内部。无机结合料稳定材料温缩性受组成矿物单元的含量比例、结构强度及各组成矿物单元的影响。水是影响此类材料温度收缩的主要因素，特别是在非饱水状态时影响较大。水对无机结合料影响主要通过扩张作用、毛细管张力和冰冻作用实现。相对而言，对石灰类影响最大，对二灰类影响次之，对水泥类影响最小。 2) 干燥收缩机理干燥收缩是无机结合料稳定材料因内部含水量变化而引起体积收缩现象。 其基本原理是由于水份蒸发而发生的毛细管张力作用、吸附水及分子间力作用、矿物晶体或凝胶体的层间水作用、炭化脱水作用而引起的整体的宏观体积变化。半刚性材料中 Ca(OH)2和 CO2反应生成 CaCO3中析出水而引起体积收缩。因此，无机结合料(指灰土、二灰、水泥)的矿物成分和分散度影响最大；可见初期含水量太大，必将导致很大干缩。3) 疲劳破坏机理 在正常使用情况下，由于半刚性基层材料的抗拉强度远小于其抗压强度, 在车辆荷载、温湿应力的重复作用下，结构层底的弯拉应力(应变)超过其疲劳强度(它较一次荷载作用的极限小得多)时，基层底便产生裂缝，并逐渐向表面发展。这种裂缝开始大都是细而短的横向开裂，以后逐渐扩展成网状，其开裂程度和范围也逐渐扩大，甚至导致面层破坏。结构层达到临界疲劳状态时所承受的荷载重复作用次数作为疲劳寿命。其大小主要取决于所受到的重复应力(应变)的大小,同时与结构层的环境因素有关。3.2 温度裂缝的形成机理调查研究表明，许多沥青路面在建成后正式通车前就产生裂缝，不管这些裂缝是哪一类，它们都是由温度变化所引起的温度裂缝，不仅与当地的环境气候条件有关，而且还与路面材料特性和路面结构的组合设计密切相关。当外界温度下降，路面材料逐渐变硬，并开始收缩，收缩产生的拉应力超过路面材料的抗拉强度时，沥青路面就开裂。由于路面结构宽度有限，收缩受路面结构的相互约束小，所以温度收缩裂缝主要是横向的。较薄的沥青路面，基层受到较大的温差作用，基层对沥青面层的阻力矩也较大，部分地抵消了裂缝尖端邻近的拉应力，从而使裂缝尖端的应力强度减小，随着基层温缩系数的增大，基层及面层底部的拉应力逐渐增大，于是在一定条件下，在沥青面层底部裂缝的相对位置处开裂，并向上扩展直至贯通面层厚度，当基层已经开裂，尖端的应力集中将加剧上述裂缝的扩展。当沥青层较厚时，基层受到的温差作用较小，基层对面层的摩阻力，不足以抵消由于基层温缩增大对沥青面层裂缝尖端邻近产生的拉应力的增大部分，从而使裂缝尖端的应力强度继续增加。3.2.1 低温缩裂由于气温寒冷或冷热交替造成沥青混凝土路面出现开裂。这样由低温引起的开裂称为低温缩裂；由高温引起的开裂称为热开裂。低温缩裂一般发生在北方寒冷的地区，而热开裂通常发生在昼夜温差较大的地区。低温缩裂是材料因温度下降而产生体积收缩形成的开裂。如果材料不受约束，那么温度下降时就会自由收缩；如果受到限制，在应力等于材料的抗拉强度时，材料收缩就会产生导致开裂的温度应力。由于在低温情况下, 沥青混凝土的温度应力无法释放，便产生了开裂。产生开裂的温度称为开裂温度。3.2.2 温度疲劳开裂一年中日间的温度循环造成了拉应力的循环，最终将导致沥青混凝土产生 疲劳开裂。与低温收缩温度范围的重要性相比，疲劳温度范围也同样重要。疲劳开裂通常采用应力与强度之比进行评价，该比值越接近1，开裂就越快。沥青胶结料的性质是影响温度疲劳开裂的最重要因素。在有关的研究中，研究人员进行了混合料在温度循环作用下直至开裂的试验，并观测了最低温度接近开裂温度时的疲劳损坏类型。在温度循环次数少的情况下，比较了软质沥青胶结料与硬质沥青胶结料的疲劳损坏类型。试验结果表明，连续降温试验的结果与一般疲劳试验的结果相近，由于试验过程中，温度循环应力和初始应力都较大，所以疲劳寿命都较小。3.2.3 影响路面低温缩裂的因素影响路面低温缩裂与温度疲劳开裂的主要因素有材料、环境和路面结构几何尺寸三个方面。 1 材料1)沥青 影响沥青混合料的低温缩裂程度的唯一且最重要的因素是沥青胶结料的温度劲度关系。低温和温度敏感性(与温度保持一致性)的劲度或稠度(粘度或针入度)是最为重要的因素。温度降低时，沥青胶结料的粘度降低(或针入度较高)，造成劲度少量提高，降低了低温缩裂的可能性。2)集料类型和级配 内摩阻力高、冻融损失低与吸水率小的集料可保证路面具有最大的抗横裂 能力。集料具有了这些特点,即使是在低温下,强度也无大的变化。吸水性集料使低温下的材料强度降低,这是因为混合料中起粘结作用的沥青胶结料少于非吸水性集料混合料中的沥青胶结料。如果混合料设计是抗车辙的，那么，混合料的集料级配不会影响低温下材料的强度。3)沥青含量 沥青含量在最佳范围内时,其变化对混合料的低温缩裂性能没有影响。提 高沥青含量将使温度收缩系数增大,而劲度降低,这样所形成的温度应力相当于沥青含量改变之前已有的应力。4)含气量 压实度、含气量及渗透性本身并未对混合料低温缩裂产生重大的影响。2 环境1)温度 路表温度越低,温度开裂的可能性就越大。路表温度与周围大气温度和风速有关,大部分的低温裂缝是在温度下降到低于玻璃态转变温度并长时间保持此低温时出现的。2)降温速度 降温速度越快,温度开裂的可能性就越大。研究表明,在春天或秋天昼夜温差较大时,路面结构就可能出现开裂。3)路面寿命路面使用时间越长,温度开裂的可能性就越大。路面寿命与沥青胶结料老 化造成的劲度提高有关。混合料中的含气量会影响混合料的老化性能,而且, 随着时间的推移,路面老化程度越重,也越有可能会遇到更多的极低温度的情况 随着路面使用年限的增加，不论是竣工1年多的，还是竣工几年的，路面出现的裂缝道数及裂缝总长度都在增长。3 路面结构几何尺寸 1)路面宽度 温缩裂缝在较窄的路面上间距较小,在较宽的路面上则较大。 2)路面厚度 一般而言,沥青混凝土层越厚,低温缩裂的可能性就越小。 3)沥青混凝土层和基层间的摩擦系数 在未经处理的集料基层上洒透层油,会明显地降低低温缩裂的可能性。由于粒料基层的温缩系数较低,与粒料基层粘结良好的沥青混凝土层的温缩系数也得到降低。基层集料级配,尤其是通过 200 号筛子细料的比例,对低温缩裂影响极小。 4)路基类型 与粘性土路基的路面相比,砂性土路基的路面发生低温缩裂的频率通常要大些。 5)施工缺陷 沥青层在高温和低劲度条件下,采用钢轮压路机碾压时,会造成横向施工缺陷。路面降温时,就会在施工缺陷处形成裂缝,通常其间距与车道宽度相同。3.3 荷载裂缝的形成机理理论和实践都表明，在移动车轮荷载作用下，路面结构内各点处于不同的应力应变状态，如图3-3-1。路面面层底部B点处于三相应力状态。车轮作用其上时，B点受到全拉应力作用，车轮驶过后，应力方向旋转，量值变小，并有剪应力产生，当车轮行驶过一定距离后，B点则承受主压应力作用，B点应力随时间变化曲线如图3-3-2。路面表面A点则相反，车轮驶近时受拉，车轮直接作用时受压，车轮驶过后又受拉。车俩行驶过一次就使A、B出现一次应力循环。路面在整个使用过程中，长期处于应力应变重复循环变化的状态。所以，在荷载的重复作用下，路面材料逐渐出现应力疲劳，裂缝也就产生了。3-3-1 路面面层在车轮下的受力状态3-3-2 B点应力随时间的变化3.4 沉降裂缝产生的机理土是由土颗粒、空气以及水组成的三相体，因此饱和土体受到荷载作用后，便会产生压缩变形。这也是路基沉陷的原因所在。饱和土体压缩的过程，主要是由于土颗粒、空隙中的水和空气相对运动，使空气的水和空气被挤掉，使土颗粒被压密，即土体产生压缩变形。但是由于土颗粒很细，空隙更细，要使空隙中的水通过非常小的空隙排出，是需要相当长的时间的，长达几年甚至是几十年。时间的长短主要取决于土层排水距离的长短、土粒径与空隙的大小、土层渗透系数和荷载大小以及图的压缩系数的高低等因素。通常，对于碎石土和沙性土路基，因其压缩性小及渗透性大，一般在施工期间路基沉降即可全部或基本完成。而对于饱和粘土路基，因其压缩性大及渗透性小，通常经过几年、几十年、甚至是几百年的沉降才能达到稳定。在路基和地基的沉降过程中，由于路段填土种类和地质情况的不同，不可避免地会出现路基的不均匀沉降，最终，也就导致了裂缝的出现。第四章 沥青路面裂缝的防治措施沥青路面的裂缝是不可避免的，防治裂缝应根据不同类型采取不同措施来防治。 4.1 反射裂缝的防治消除沥青路面的反射裂缝应从消除裂缝的反射源，增强面层的抗拉强度， 以及在面层及基层间设置应力消散过渡层等方面来考虑，如采用土工织物防治、对旧砼路面采取碎石化处理，在面层和下卧层之间设置沥青大碎石应力吸 收层等方法。4.1.1 旧路面的裂缝或接缝引起反射裂缝的防治1 土工织物防治 根据应用方式不同，土工织物可有以下的使用性能：1）隔离功能土工织物用作中间夹层，可防止两种材料相互渗混，起到隔离、排水和防止地基承 载力恶化的作用，保证结构设计功能的稳定。2）防渗功能在道路工程中可以用于封闭膨胀和冻胀土，减缓路面结构水害等。3）加筋补强功能利用土工织物良好的整体性和抗拉力学特性，将外荷载通过土工织物传递到毗邻的结构层或土体，限制结构产生过大的位移，改善或增强道路某结构层次（含土基）的稳定性或增大结构承载能力。4）过滤排水功能利用一些土工织物良好的过渡性和透水性，应用于湿软地基排水，降低地下水位，加速软基固结。5） 防护功能利用土工织物的整体性和连续性，用在各类防护工程中，既可防止 水流等的冲蚀，还可减缓低温引起的土体冻胀和沥青面层开裂等。土工织物具有优良的抗拉力学特性及良好的隔离防渗功能，已被广泛应用 于土木工程的各个领域。由于高分子间存在的吸附、键合等作用，土工织物与 沥青的有机复合，从理论和实际上都是可行的，其形成的加筋沥青面层，可改 善面层的物理力学性能、提高路面的使用寿命。 2 旧水泥混凝土路面碎石化处理1) 应用碎石化技术的目的对于旧砼路面改建为沥青路面，所要解决的主要问题是防止旧砼面板的温湿变形、翘曲应力上传至沥青路面而引起沥青路面过早产生反射裂缝，导致沥青路面的使用寿命缩短。而碎石化技术即先把砼板的有效尺寸破碎到较理想的尺寸，形成破碎板块相互嵌挤的结构层，所以碎石化的主要作用和目的就是从“根源”上消除或减小旧砼板的集中应力和变形，避免或消散应力的集中，阻止了较大应力和变形的产生，避免上覆沥青层反射裂缝的产生。 2) 碎石化的主要技术要求 碎石化要求 75%的混凝土路面破碎成颗粒表面最大尺寸不超过 7.5 厘米，中间不超过 22.5 厘米，底部不超过 37.5 厘米，但表面最小尺寸宜控制在 5-7 厘米。其余 25%以下面积的混凝土路面，其表面破碎粒径的尺寸要求不大于 45 厘米。若碎石化路面的块径超过最大尺寸，用破碎机进行二次破碎。 4.1.2 半刚性基层开裂的防治为有效控制基层开裂，尽量减少裂缝的产生，应从原材料、集料配合比、施工工艺、养护，及加紧后续工序施工等方面同时采用控制措施，才能取得好的效果。1 原材料控制1) 集料的最大粒径 公路路面基层施工技术规范（JTJ034）中规定用作高等级公路路面基层的集料的最大粒径为 31.5mm，大于 26.5mm 的颗粒最多可达 10%。就最大粒径而言，它相当于 AC-25 的沥青混凝土。最大粒径过大，对拌和机和摊 铺机的磨损就大，同时影响基层的平整度和表面的均匀性。因为集料粒径愈大， 基层表面的离析就愈严重。因此，不建议采用粒径过大的集料。 2) 集料级配 集料级配对混合料，特别是水泥混合料的强度有显著影响。对于级配不好 的缺细集料的天然砂砾，要用 7%8%水泥稳定，才能达到规定的强度；而添 加部分细集料使其达到最佳级配后，只要用 4%5%水泥稳定，就可以达到要 求的强度。水泥稳定最佳级配砂砾的强度比稳定天然砂砾的强度高 50% 100%。3)水泥用量为了满足冻融试验的要求，最佳级配砂砾只要用 2%水泥，而天然砂砾要用 5%6%水泥。2 优化施工配合比在满足设计强度要求的条件下，尽量采用较小的水泥用量。经过试验及施工验证，上基层水泥含量尽量控制在5%左右，极限用量不要超过5.5%。为了既满足强度的要求，又保证钻芯取样完整，应加强细集料尤其是石屑的质量控制，优化粗细集料配合比，保证粗集料的用量。在集料质量有保证的情况下，接下来对配合比设计进行优化，基本原则是在保证设计强度的情况下合理地减少水泥用量，级配曲线应为一条平顺的圆滑曲线，同时级配曲线应尽可能靠近级配区域的下限。为保证配料的代表性，要求各种规格集料的单粒径级配有代表性，为此在保证取样代表性的情况下，对每种规格集料各进行50 次筛分试验，然后取其平均值作为各档规格集料的级配曲线。3 加强施工质量控制1)严格控制原材料质量 建立不同规格集料的进场验收制度，材料进场时要有专人验收，凡不符合规定的集料一律拒收。不同粒级的集料要分别堆放，细料要覆盖。2)严格控制水泥剂量 按混合料设计时确定的水泥剂量，严格控制水泥用量，使其误差在施工规范允许的误差范围内。3)严格控制用水量 出厂混合料含水量的大小对现场施工及今后混合料的强度和干缩应变或基层干缩裂缝的多少都有很大影响。含水量过小，不但现场难于碾压密实，而且直接影响混合料的强度，使混 合料在使用过程中容易松散。含水量小的混合料在碾压过程中容易起皮，容易产生细短的横向裂纹。含水量过大，碾压过程中容易产生“弹簧”现象，不但混合料压不实，而且表面会留下很深的轮印，使横断面很不平。同时还会将水泥混合料中的水泥浆或二灰混合料中二灰浆提到上面，使碾压层表层结合料过多并光滑，而下部则结合料过少，强度差，使基层在使用过程中容易破坏。含水量过大的混合料还容易产生严重的干缩裂缝。 4)增加拌和时间 需要有一定的拌和时间才能将半刚性材料拌和均匀。只有拌和均匀的半刚 性材料才能有较高的抗压强度，拌和时间应在 1min 以上。 5)加强对施工工艺的控制 严禁随意浇水、提浆，以减少干缩，掌握好碾压过程中含水量的变化，保证在最佳含水量的条件下碾压成型。 6)重视基层的养护 禁止使用乳化沥青透层代替薄膜覆盖养生，薄膜养护时应及早覆盖，并做到薄膜覆盖严实，保证薄膜内湿度。水分损失过快时，注意补水。 7)加快后续工序的施工 封层施工应尽量在揭膜后及时完成，如采用稀浆封层效果更佳。 8)对基层上车辆通行进行管制 禁止重车在基层上行驶，施工车辆行驶时限速，时速不超过 30km/h，并避免在主车道上集中行驶。4 裂缝的处理措施1)大多数干缩裂缝通常在龄期40d 左右时基本趋于稳定，可不作特殊处理。 2)全幅贯通的温度收缩裂缝，对裂缝进行清理，清理后使裂缝口的宽度在 1-2cm 之间，浇灌热沥青或乳化沥青，并加铺玻璃纤维格栅等阻裂材料。 3)由于原材料、混合料波动变异产生的裂缝密集段，必须作返工处理。4.2 温度裂缝的防治主要是采取灌油修补法，乳化沥青稀浆封层和沥青混合料罩面。详细内容参照第五章：裂缝的维修技术。