【技术】半刚性基层沥青路面低温开裂机理及防治措施

摘要：本文针对半刚性基层沥青路面低温开裂的不同类型，分析了沥青路面在外部因素（车辆荷载、温度、施工工艺等）和内部因素（材料和结构）作用下的开裂机理，提出了相应的防治措施，对设计工和施工有一定指导意义。

关键词：半刚性基层 沥青路面 低温开裂机理  防治措施

0引言

沥青混凝土面层低温开裂是路面破坏的主要形式之一,它是指在北方严冬期温度骤降出现的横向收缩裂缝。资料表明^[1]：如果沥青路面仅仅是由于温度变化而引起的裂缝，在没有水损害的情况下，这种裂缝对路面的使用性能是没有太大影响的。路面裂缝的危害在于水分不断从沥青路面进入裂缝中致使路面基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，不仅影响行车舒适性，产生额外的交通噪音，还会影响行车安全使路面使用寿命降低。

1.路面低温开裂的类型

沥青路面按裂缝成因可将其分为荷载型裂缝和非荷载型裂缝两类。

荷载型裂缝主要指剪切型裂缝，由于行车荷载作用下沥青面层产生较大的剪切应力，当产生剪切强度超过路面材料的极限抗剪强度就会发生剪切开裂，这种裂缝在初始阶段一般是路表纵向开裂，随着荷载的反复作用逐渐发展为网状裂缝。

非荷载型裂缝主要是指温度裂缝，沥青混凝土与其它材料一样也具有热胀冷缩的性质，这种裂缝不仅与荷载作用下产生，而且与环境因素也有很大关系。一般认为沥青混凝土的低温开裂有两种形式：一种是由于气温骤降造成面层温度收缩，在有约束的沥青层内产生温度应力超过沥青混凝土的抗拉强度时造成的开裂。此类裂缝多从路表面产生，向下发展。温度开裂的另一种形式是温度疲劳裂缝，这是由于沥青混凝土经过长时间的温度循环，是沥青混凝土的极限拉伸应力变小，应力松弛性能降低，将在温度应力小于其抗拉强度时产生开裂。这种裂缝主要发生于温度变化频繁的温和地区，下表1低温地区沥青路面裂缝类型对常见的几种裂缝做了描述，无论是低温荷载裂缝、冻胀裂缝还是反射裂缝都是在外因作用下由于沥青混合料老化所致，而低温缩裂则是温度下降时内部应力所致，属于材料问题。

表1低温地区沥青路面裂缝类型

裂缝类型	形状	发展情况	开裂时间	路面变形程度	范围
低温荷载裂缝	网状-龟状	由下向上（慢）	初冬	路拱小变形	荷载与低温
低温收缩裂缝	横向贯穿有一定间距	又上向下（快）	初冬、骤冷	无路拱变形	面层低温收缩
反射裂缝	横向裂缝有一定间距	由下向上(快)	初冬	无路拱变形或小变形	基层与土基裂缝在荷载下反射
冻胀裂缝	网状	由上向下（慢）	深冬	路拱变形	冻胀力

另外，我国高等级沥青路面形式单一，其中半刚性基层沥青路面占90%以上，半刚性基层的最大优点是整体强度高，板体性好，承载能力高，抗疲劳性能强，但是由于半刚性基层材料本身固有的收缩特性使沥青路面存在着严重的反射裂缝问题，半刚性基层开裂之后，沥青面层与半刚性基层之间存在受力薄弱点，在温度、荷载、外界环境作用下，沥青面层底部出现应力集中现象，面层底部开裂，在荷载反复作用下裂缝向上扩展，直至路表面。

2.引起的路面裂缝的因素

2.1内部因素

1)路面材料选取对路面开裂的影响

矿料质量的好坏直接影响混合料的强度,是沥青路面早期破坏的主要影响因素。矿料级配碎石的选取方面，中性石料最好，比如玄武岩；石灰岩是一种碱性石料，与沥青的粘附性好，但其棱角性丧失太快，强度低，抗滑能力差；酸性石料强度，偏脆易碎且与沥青的粘附性弱，比如花岗岩、石英岩；而粗砂岩、变质岩等材料的针片状颗粒比例较大，摊铺施工中容易离析且难以压实，荷载作用下会产生较大的瞬时变形。集料表面的粗糙度对于粘附性的牢固程度比集料酸碱性更为重要。对材料强度的规定是其洛杉矶磨耗值不小于规范要求的最小值。对于集料的形状、构造，在相同的密实度和级配下，富于棱角及表面纹理丰富的轧制碎石通常比表面光滑的具有更好的力学性能。我国规定:针片状集料含量应不超过粗集料的20%。为提高沥青路面的低温抗裂性，可选用稠度低、温度敏感性低的沥青。

2)路面结构选取对路面开裂的影响

材料的结构决定材料性能。对于碎石材料，其性能受结构的影响更为显著，根据粗细集料分布情况的不同，沥青混合料结构可划分为三种物理状态：悬浮密实结构，骨架孔隙结构，骨架密实结构。在外界荷载作用下，悬浮密实结构主要靠填充料的压缩来分散荷载，而骨架空隙和骨架密实结构的荷载主要是通过颗粒之间的嵌挤来传递。如果单从力学角度来讲，后两种结构要比第一种具有更强的抗扰动能力，在优选原材料的基础上骨架密实结构更适合于承受重载交通。

2.2.外部因素

1)温度变化引起的裂缝

沥青材料是一种典型的弹塑性材料，具有很强的温度敏感性，在较高的温度条件下，具有良好的应力松弛性能，温度升降产生的变形不至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。沥青混合料的应力松弛速度不及温度应力的增长，混合料劲度急剧增大；路面中产生的收缩拉应力或拉应变超过沥青混合料路面材料的抗拉强度时，沥青路面就会开裂。

2)荷载因素引起的裂缝

行车荷载对路面施加的作用力大致可分为：由于制动、加速、转向以及克服前进中的各种阻力对路面施加的水平力由于路面高低不平，汽车颠簸和汽车机件振动施加于路面的冲击力和振动力；由于车轮后方路面之间形成暂时的真空而产生的真空吸力；这些力的反复作用使沥青路面会出现各种形式的路面疲劳裂缝。疲劳裂缝的发展方向通常是由上至下扩展至路表面。

3)施工工艺引起的裂缝

对原材料检验不严,对沥青混合料的配合比控制不够,特别是矿粉和沥青用量不准,使沥青路面早期出现网裂。沥青混合料加热温度过高, 造成沥青改性、老化、粘结力降低,造成路面强度不足，易产生网裂、坑槽等病害。施工季节不合理,雨季或低温季节施工,不能及时成型稳定及施工缝未处理好也会引起开裂。

另外，半刚性基层过分的追求密实度，使用过多的细料和水泥，并且在整型找平过程中用平地机反复刮补，将高处的混合料刮到低洼处找平，导致一层薄层与原结构层不能有效地结合起来,形成薄夹层。在车辆荷载作用下,薄夹层逐渐被推动压碎松散,进而导致沥青面层产生局部网状裂缝。

3防治措施

（1）路面结构设计中应该做好交通量调查和预测工作，使路面结构组合和路面总体强度满足设计年限内交通荷载的要求。

（2）采用低温变形能力高的优质沥青，并按照要求控制好沥青混合料的拌和质量。

（3）沥青面层摊铺前，认真检查下承层的施工质量，及时清除泥灰等杂物，处理好软弱层，保证下承层稳定，并喷洒0.7~1.1L/m的透层油，必要时可以按照要求洒石屑或砂，保证层间结合。

（4）沥青各层要满足最小施工厚度的要求，保证上下之间有良好的连接，并从设计、施工、养护管理上采取相应的措施及时排除雨后结构层内的积水。

（5）在沥青面层半刚性基层之间设置应力吸收层，减少半刚性基层顶部的尖端应力，从而防治反射裂缝的产生。

4结语

裂缝是在内因和外因共同反复作用下形成的，要提高沥青路面抗裂性能需从设计、选材，施工等各个环节着手。对于已经产生的裂缝的路面必须对其进行及时维修，否则水分会通过裂缝进入路面内部导致水损坏的产生，低温内部孔隙水结冰，春融季节产生冻胀和翻浆现象，使得路面进一步恶化。

参考文献：

［1］张登良,王哲人.沥青路面[M] 北京：人民交通出版社，1998

［2］张翔宇.行车荷载和温度作用下的路面表面开裂机理研究[D].湖南大学，2007

［3］王修山.级配碎石基层沥青路面材料与结构特性研究[D].长安大学，2010

［4［贾志清.北方沥青路面低温抗裂性能研究[D].长安大学，2006

［5]徐海东,于新.反射裂缝应力吸收系统START在盐通高速公路上的应用[J].现代交通技术，2006，2