半刚性路面的裂缝问题

半刚性路基半刚性路基的的反射反射裂缝问题裂缝问题 21813102 叶 摘要 半刚性基层具有一定的刚度 抗拉强度 抗疲劳强度 良好的水稳定特性以及较好的应力扩散能 力 因此广泛用于道路基层铺设 但是目前其还存在些许缺陷 其中最显著的问题之一就是反射裂缝 本 文综合阐述了其产生裂缝的原因 即荷载因素 干燥收缩以及温度收缩 最后 本文整理出目前常用的解 决裂缝的方法并进行了简单的分类 关键词 半刚性基层 反射裂缝 应力吸收层 Abstract As the semi rigid base has good characteristics of stiffness strength of extension fatigue resistance water stability stress distribution it is widely used in roadbed However there are still some problems One of these is the reflection crack This article introduces the reasons of this including load shrink because of drying or temperature At last there are some classified methods in this article Keywords semi rigid base reflection crack stress absorbing layer 1 前言 近年来 随着我国高等级公路的迅猛发展 半刚性材料广泛应用于我国各级公路路面结 构 由于经济基础和技术基础所致 在相当长的一段时期内 半刚性材料仍将作为一种主导 性基层材料应用于中国高速公路和一般公路 半刚性材料是指在粉碎的或原状松散的土中掺 入一定量的无机结合料 包括水泥 石灰 石灰 工业废渣等 和水 经拌和得到的混合料在 压实与养生后 其抗压强度符合规定要求的无机结合料稳定材料 因此无机结合料稳定材料 可划分为三种类型即水泥稳定类 石灰稳定类及综合稳定类 由于这种材料的刚性处于柔性 路面与刚性路面之间 因此把这种材料称为半刚性材料 应用这种材料的基层就成为半刚性 基层 半刚性基层具有一定的刚度 抗拉强度 抗疲劳强度 良好的水稳定特性以及较好的扩 散应力能力 其在前期具有柔性路面的力学性质 后期的强度和刚度均有较大幅度的增长 这些都符合路面基层的要求 使得路面基层受力性能良好 并且保证了基层的稳定性 此外 其取材方便 经济适用 然而半刚性材料还存在着一些急需解决的病害 例如 半刚性基层排水性差 其材料内 部致密 当水从各种途径进入路面并到达基层后 不能从基层迅速排走 这会使半刚性基层 的长期浸泡 破坏半刚性基层的整体结构 使其整体承载能力和稳定性显著下降 此外 半 刚性基层易疲劳 在使用过程中 半刚性基层材料的强度 模量会由于干湿和冻融循环以及 反复荷载的作用下因疲劳而逐渐衰减 并且 其轴载敏感性很强 同样的超载车对半刚性基 层沥青路面的影响要比柔性基层沥青路面大得多 对路面的损伤大得多 最后 其愈合能力 差 且无法进行修补 只能挖掉重建 这给沥青路面的维修养护造成很大的困难 除此之外 半刚性材料还有一个十分突出的问题 那就是半刚性基层的收缩开裂及由此 引起沥青路面的反射性裂缝普遍存在 反射裂缝是裂缝先产生于基层的裂缝形式 即基层在 建成之后极易在外部环境作用下先产生裂缝 裂缝形成之后又会在外部环境作用下继续向上 扩展 最终造成路面裂缝 路面裂缝的存在不仅使车辆行驶质量下降 而且也破坏了路面结构整体性和连续性并在 一定程度上导致结构强度的削弱 如裂缝处弯沉增大 回弹模量降低等 而且 随着雨水或 雪水的浸入 使基层变软 在大量行车荷载反复作用下结果导致路面强度大大降低 产生冲 刷和唧泥现象 使裂缝加宽 裂缝两侧的沥青路面破碎 加速沥青路面的破坏 从而影响公 路使用质量和寿命 2 裂缝产生机理 裂缝产生原因和裂缝形式是多种多样的 但就基层开裂的主要原因而论 可以分为两大 类 荷载型裂缝和非荷载型裂缝 他们会在半刚性材料内诱发拉伸应力 并产生应力集中 当拉应力超过半刚性基层自身的极限抗拉强度 其会从强度薄弱处产生断裂 荷载型裂缝主要是由于行车荷载作用而产生的 在车轮荷载作用下 路面回弹弯沉值逐 渐增大 半刚性基层的底部产生弯拉应力 图 1 当此弯拉应力大于半刚性基层材料的抗 弯拉强度时 半刚性基层底部就很快发生开裂 半刚性基层整体结构被打破 随着路面使用 时间的延长 在行车荷载的反复作用下 裂缝尖端处会产生很大的应力集中 底部的裂缝会 逐渐扩展到上部 同时横向裂缝不断增加 缝宽不断增大 并且不断附生纵向裂缝 最终使 沥青面层也开裂破坏 形成大小不等独立板块 荷载型裂缝通常表现为稠密的纵向裂缝和网 状裂缝 严重的会出现车辙或沉陷 目前 荷载型裂缝在中 低级公路及一些超载较严重的 高等级公路轮迹处常见 一般高等级公路中这种裂缝并不多见 图 1 动荷载引起的弯拉应力示意图 非荷载裂缝分为干缩裂缝与主要是温度裂缝 干缩裂缝主要是由于压实后的水泥稳定基 层中的水不断蒸发和水泥水化作用使水分不断减少 产生毛细管作用 吸附作用 分子间力 作用以及材料矿物晶体 凝胶体层间水的作用 碳化收缩作用等 使水泥稳定基层压实体发 生体积收缩 形成收缩裂缝 但是 当基层上铺筑沥青面层后 基层的含水量一般变化不大 因此基层产生裂缝的主要原因是由温度变化引起的 温度裂缝包括低温收缩裂缝和温度疲劳 裂缝 首先 低温收缩裂缝是由于冬季随着温度下降 图 2 基层材料开始收缩 但由于基 层在路面结构中受到约束 当气温大幅度下降时 基层材料中的拉应力或拉应变会急剧增大 一旦超过材料的抗拉强度或极限抗拉应变而引起基层的开裂 但是 一般道路基层宽度都不 大 收缩所受约束小 所以温度收缩裂缝主要是横向的 第二 温度疲劳裂缝主要发生在太 阳照射强烈 日温差大的地区这种地区 图 3 由于白天温度与夜间温度之差比较大 在基 层中产生较大温度应力 这种温度应力日复一日地反复作用在基层中也会使基层产生裂缝 由此产生的裂缝称为温度疲劳裂缝 图 2 季节温度变化引起的反射裂缝 图 3 昼夜温度变化引起的反射裂缝 3 防治措施 针对此种病害 国外普遍采取对裂缝进行封缝 然而在交通量繁重或者高速公路上 这 种封缝工作十分困难 目前在我国 很少有发现裂缝就进行沥青封缝的习惯 可见这种方法 在我国并不适用 因此 为了解决反射裂缝这一病害 我国许多学者对此进行了研究 总体 上来说 防治这类病害 主要从以下三个方面进行 1 减少或防止半刚性基层裂缝产生 如半刚性材料合理组成设计和预切缝 2 改善面层性能 如使用防裂效果更好的面层 增加面层厚度 3 设置中间应力吸收层 阻断裂缝扩展路径 如级配碎石 土工织物格栅等 以下将逐一详细介绍 3 13 1 减少或防止基层裂缝产生减少或防止基层裂缝产生 3 1 1 半刚性材料的合理组成设计 为减少半刚性基层的开裂 可以通过半刚性基层材料的合理设计 如调整结合料用量与 比例 增加粗骨料含量并严格设计级配 以尽可能的减小其温缩系数和干缩系数 增大极限 拉伸能力 从而减小基层内部的最大收缩应力 增加半刚性基层材料的抗裂性能 对于二灰稳定类基层可加入早强剂 以提高半刚性基层早期强度 使其在弯拉模量变 化不大情况下增大抗弯拉强度 减弱温湿效应 提高耐用性 增强抗裂性 可采用补偿收 缩措施 如掺加膨胀剂 也可采用限制收缩措施 如掺加合成纤维 土工织物等来增强基 层材料的抗裂性能 对于水泥稳定材料 水泥稳定材料的强度 弹性模量 温缩系数和干 缩系数与水泥剂量有着直接关系 随着水泥用量增加 其强度和弹性模量增加 但是收缩 系数也随之增加 因此 在满足要求的情况下 宜采用最小的水泥用量以降低弹性模量和 收缩系数 此外 应尽量使用骨架密实结构矿料级配 骨架密实型半刚性材料比规范推荐级配中 值的悬浮结构半刚性材料在干缩系数方面可降低 31 在温缩系数方面可以降低 18 左右 由于细骨料特别是粒径为 0 075mm 左右的细骨料有较大的干缩系数 比表面积大 遇水膨 胀 失水后干缩变形大 因而半刚性基层材料中细料含量越多 其内部孔隙也就越多 从 而在水作用下其收缩也就越大 所以要严格控制粒料中细料的含量和塑性指数 做到连续 级配 避免间断级配 必要时采取掺配等手段优化级配 但是此类方法不能从根本上消除 半刚性材料的开裂而导致的路面反射裂缝 3 1 2 基层预切缝 基层预切缝方法是在铺筑面层前将半刚性基层按一定间距设置预切缝 设法让预切缝 仅保留在基层本身而不反射到面层 基层采用预锯缝来减少沥青面层反射裂缝的措施在国 内外工程实践中有一定的应用 它的防裂原理主要是通过锯缝改善基层约束条件 减小基 层的 相对长度 以此来减小基层内部累积的温缩 干缩应力效应 从而在一定程度上释 放温度应力来达到防裂目的 同时 由于在荷载和环境因素作用下 基层预切缝处的沥青 面层易产生应力集中 因此还要对预切缝处预先处理同时 在锯缝防裂基础上内填乳化沥 青或铺设一定宽度土工织物 这样可使预切缝 停留 在基层而不会反射到面层 即使产 生反射裂缝 也比基层自由开裂而产生的反射裂缝规则 此外 也可以在基层施工过程中 人为地制造微细裂纹 以此降低基层收缩性 同时 使水硬性结合料稳定基层内的均匀细 裂缝有较好的传荷能力 蒋应军等人还通过理论分析了预锯缝间距 1 研究影响预锯缝间 距的因素 计算了温缩应力与荷载应力 最后确定无开裂基层锯缝间距 并且在其中提出 了带条土工布的防裂设计 基层预切缝可以有效的解决半刚性基层过冬的问题 并且可以缩短工期 但是采用预 切缝后增加了施工的工序和难度 施工时需注意预切缝的间距 深度等尺寸参数 这些都应 通过试验和实际情况确定 预切缝间距越小 接缝越多 不仅增加施工的复杂性 而且影 响路面的整体强度 预切缝过长也会带来一些问题 如温度翘曲应力增大 干缩 温缩引 起基层的伸缩量大 增加基层开裂的可能性等 所以 此种方法如果实施不好的话 不仅 不能够防治反射裂缝 反而有可能加剧反射裂缝的产生 3 23 2 改善面层性能改善面层性能 3 3 1 使用防裂效果更好的面层 提高面层沥青混合料的抗裂性能也是一种从面层自身考虑的防裂方法 如采用改性沥 青 在混合料中采用添加剂 聚酯纤维 木质素纤维等 提高混合料性能 提高沥青用量 改善集料的级配等 然而这种方法只是被动防裂缝 其没有从根本上解决裂缝问题 因此 路面出现裂缝仅仅是时间问题 3 3 2 增加面层厚度 通过增加面层厚度可以在一定程度上防止基层反射裂缝 国际上通用的结论是需要将 沥青面层增加至 15 25cm 增加加铺层厚度一方面可以减少基层的温度变化 并降低加铺 层的拉应力 另一方面可以增加路面结构的弯曲刚度 降低接缝处的弯沉差 减少加铺层 的剪切应力 同时 可以延长其疲劳断裂寿命 但单纯依靠增加加铺层厚度的方法有其弊 端 一方面可能会受到路面标高的限制 另一方面 采用较厚的沥青面层 不但在经济上 不合算 而且还可能影响路面的高温稳定性 导致车辙等其他路面病害的发生 故而这一 方法有很大的局限性 3 33 3 设置中间应力吸收层设置中间应力吸收层 在沥青面层和半刚性基层之间设置一层加铺层以吸收和分散半刚性基层产生裂缝的应 力 阻断反射裂缝向基层扩展的路径 这层材料的特点是弹性模量低 韧性好 这种方法 是国内外工程实践中采用较多的一项措施 但不同材料的加铺层对反射裂缝的处治效果有 较大影响 目前 国内外对防裂材料的研究主要集中在低弹性模量 高韧性的应力吸收材 料上 用这种材料铺设的应力吸收层从结构的角度延缓了裂缝尖端的应力集中 因此起到 了较为明显的防裂效果 根据断裂力学的理论 如果面层与基层完全失去粘结 面层和基 层间就可以错动而不承受由于彼此移动造成的应力 从而使基层裂缝向上反射而产生的结 构应力可以在加铺层的界面上被消散 但是这种方法在现实中是不可能实施的 但是 采 用低模量的中间夹层却是可以实现的 这些中间夹层能承受很大的应变而不破坏 在路面 结构中它能依靠自身的塑性变形来吸收应力 不致把很大的应变传递到面层上 该应力吸 收中间层在国内外工程中尝试最多的材料是高掺量的橡胶粉沥青 沥青稳定碎石 级配碎 石 土工织物或格栅等作为应力吸收中间层 应力吸收中间层对减缓反射裂缝的产生与扩 张有明显的效果 以下将具体介绍其中几种方法 3 3 1 沥青稳定碎石 目前 国内外有采用沥青稳定碎石作为中间层的 其可以防止或减少反射裂缝 但是 沥青稳定碎石亦具有较高的模量 特别是在低温下 半刚性基层裂缝尖端的集中应力仍会 使其开裂进而引起沥青上面层的开裂 反射裂缝亦不能避免 3 3 2 级配碎石层 采用具有一定厚度的优质级配碎石设置在面层与半刚性基层之间 此时也可以把级配 碎石层作为上基层 半刚性材料作为下卧层 这种上柔下刚式的 组合基层 在很大程度 上能够防止和减少半刚性基层反射裂缝 同时级配碎石基层还能充当具有排水功能的基 层 级配碎石层是由特粗式开级配沥青碎石混合料所组成 其较大空隙率可以提供一种散 逸运动的方式 能够把交通荷载与环境温度作用下所引起的混凝土路面板产生的运动消散 掉 目前国内将级配碎石作为半刚性基层与沥青面层之间的中间层的设计尚不多见 但在 美国 澳大利亚以及南非己作为减少沥青路面反射裂缝的措施获得了较多应用 且效果较 好 此外 级配碎石中间层本身还是很好的隔温层 可减小基层中的温度梯度和基层顶面 的最低温度 使得基层中的温度应力小于材料的抗拉强度 从而减轻半刚性基层的温缩 减少裂缝的产生 但是与其他方法相比 增加级配碎石层的经济性较差 3 3 3 土工织物 在半刚性基层顶或沥青之间设置各种土工合成材料 可以提高沥青混合料的抗拉强度 与抗变形能力 其对沥青面层底的箍固作用也大大增强了沥青面层的抗裂强度 土工织物 中间层在国外很早以前就开始使用 其多用于具有严重裂缝旧沥青路面或水泥路面上加铺 沥青新面层的中间防裂层 目前 土工织物包括聚乙烯 聚丙烯或聚醋无纺织物 由于织 物模量稍高 因此它可对加铺层起少量加筋作用 一般来说土工织物中间层对于垂直差动 位移和水平位移较大温缩严重的情况效果不大 此外其防裂效果可能较短暂 3 3 4 格栅 格栅包括聚丙烯或聚醋土工格栅 玻璃格栅和金属格栅 张金荣提出了利用玻纤格 栅 2 并对其进行了分析 此外 还提出了玻纤格栅的施工工艺以及注意事项 玻纤格栅 具有高抗拉强度 低延伸率 蠕变小 与沥青混合料的相容性好 物理化学性能稳定 耐 高温 嵌锁与限制作用强等特点 其主要作用为均匀传递载荷 玻纤格栅的加入能改变路 面层间在车辆荷载和温度作用下的受力状态 避免面层直接处于裂缝或接缝尖端的应力集 中区域 大幅减小裂缝处的应力集中 从而阻止反射裂缝的产生和进一步发展 同时能增 加路面的整体结构刚度 使面层的表面弯沉量减小 提高面层的高温抗车辙能力 在面层 与基层间加铺玻纤格栅 利用其高抗拉强度和低延伸率来分散应力 释放应变 阻止基层 裂缝向路面延伸 从而防止基层裂缝向路面反射 另外 在裂纹处发生的应力集中经玻纤 格栅的传递而减轻 裂纹也不会过快发展成裂缝 因此 使用玻纤格栅可增强沥青路面的整体抗拉强度 有效地改善路面结构层之间的 应力传递及分布 抵抗和延缓由于路面的基层裂缝引起的沥青砼路面反射裂缝的发生 从 而提高路面的使用寿命 3 3 5 复合材料吸收层 在深入研究反射裂缝成因及夹层防裂性能的基础上 伊利诺斯大学针对旧水泥混凝土路 面加铺提出了一种叫 ISAC 的新材料 此结构由三层组成 最上层是高劲度的格栅 中间为粘 弹性膜如橡胶沥青 最下层是高应变 低劲度的土工布 这三种材料一同作用来减轻裂缝顶 部应力 同时为罩面提供强度 而浸渍沥青的土工布还可以作为有效的防水层 伊利诺斯州对采用 ISAC 的水泥混凝土加铺路面的使用性能进行了调查 结果表明 即 使在最恶劣的环境下 采用 ISAC 的加铺层比起使用单一夹层的加铺路面仍然显示出无可比 拟的优越性 李春雷在其硕士论文中 3 对 ISAC 在水泥混凝土路面加铺中的应用进行了有 限元分析 分析结果显示 在防治反射裂缝方面 ISAC 的使用效果比单一夹层更有效 在 2002 的 TRB 报告中 4 ISAC 复合夹层作为新的防裂措施得到了强调 此外 吴一峰 朱湘也通过 ABAQUS 有限元软件对其进行了验证 5 提出 ISAC 复合夹层的防裂效果集合了高劲度格栅和 SAMI 应力吸收层的优点 是一种真正能防治路面复合型反射裂缝扩展的有效措施 总而言之 设置中间应力吸收层是目前研究内容最多 应用前景最为广泛的一种防治裂 缝的方法 事实上 由于各种夹层具有不同的刚度 因此在减少反射裂缝方面所起的作用也 不同 总的来说 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 相反 刚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