高速公路沥青路面裂缝成因分析
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摘要:沥青路面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的温度应力超过沥青混凝土的抗拉强度时造成的开裂;另一种形式是温度疲劳裂缝。半刚性基层具有强度高、稳定性好、刚度大等特点,水泥稳定碎石基层沥青路面是我省乃至我国目前广泛使用的路面结构形式。
中图分类号:U416
文献标识码:A
文章编号:16723198(2009)20032502
1.1沉降纵向裂缝
路基填土较高而地基土层承载力相对较低的情况下,路基产生不均匀沉降,由于地基下沉,路面横坡由施工时7%降为3-4%,涵洞测桥中间施工缝竖向开裂,呈上窄下宽开裂八字型,边沟反高隆起等现象发生。由于路面发生较宽的纵向裂缝,路基出现沉降拱。保津高速公路测量数据也表明,路基的不均匀沉降主要是由路基自重所引起的,这样,路基中部沉降量将大于路基边缘的沉降量,形成沉降拱。
1.2荷载型纵向裂缝
所调查高速公路的纵向裂缝以行车道(最右侧)最为严重。由于行车道集中了高速公路绝大部分重载车辆以及超载车辆,这些车辆行车速度缓慢、接地压强高,会在半刚性基层的底部产生极大的拉应力。在行车荷载的反复作用下,当半刚性基层的底部的疲劳拉应力超过半刚性基层材料的抗拉强度时,半刚性基层的底部就会开裂并逐渐在裂缝两侧形成板块。随着行车荷载的反复,相邻板块端部之间会产生竖向位移差,引起面层的剪切疲劳而导致开裂作用。底部裂缝会逐渐扩展到上部,并使得沥青面层产生开裂破坏。
2影响裂缝的因素
2.1自然环境因素与裂缝
导致沥青路面产生裂缝的自然环境因素主要有温度应力、水分(降雨)及阳光、空气的作用,其中以温度为主导作用。极端最低温度、降温速率、低温持续时间、升降温循环数次数是气候条件影响沥青路面温缩裂缝的四大要素。沥青面层的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。
2.2结构、荷载特性与裂缝
2.2.1结构层厚度、模量与裂缝
(1)面层厚度。
面层结构越厚温度裂缝和反射裂缝出现的时间越晚、数量越少,合适的沥青面层厚度也可以保护未开裂的半刚性基层在使用期间不产生干缩裂缝和温度裂缝。
(2)基层厚度。
我国的高速公路路面结构大部分使用的是半刚性基层,半刚性基层的结构性破坏裂缝由行车荷载产生。影响半刚性基层底面拉应力大小的主要因素有:面层厚度、基层本身的厚度、基层的弹性模量和下承层的弹性模量,其中基层弹性模量的影响程度最大。
(3)基层强度。
水泥稳定基层材料的强度越高,刚性越大,基层材料与底基层材料的模量比也越大,从而增大基层底面由行车荷载引起的拉应变或拉应力,容易使基层在行车荷载下产生开裂。另一方面,水泥稳定基层材料的强度高,基层内出现的收缩裂缝的间距就大,裂缝的宽度也大。
2.2.2结构组合的影响
(1)半刚性基层。
半刚性基层上有较厚的沥青面层时,路面表面的裂缝主要是沥青面层本身的温度裂缝,随着裂缝的增长和延伸导致最后基层的破坏,此时由半刚性基层引起的对应裂缝即使有,也是很次要的。
(2)柔性基层。
柔性基层材料对由于路基不均匀沉降产生的裂缝有抑制,减轻半刚性基层反射裂缝的影响。目前,国际上普遍采用的柔性基层有沥青稳定碎石、级配碎石等。
2.2.3地基及路基土质
在半填半挖路基或路面加宽处,由于压实度不好,高填方路段路基土滑移,路基或基层会出现沉降纵向裂缝。
软土地基段由于其高压缩性与承载能力的不均匀分布,容易出现不均匀沉降,基层受拉或受剪,出现较大变形。当变形超过二灰碎石基层与沥青面层的抗变形能力,沥青面层与基层被拉裂,出现横向、纵向裂缝。
2.2.4荷载因素
超载在我国十分普遍,而且超载车的比例呈逐渐上升的趋势。轴重的增加导致一个直接的后果就是轮胎胎压的相应提高,而轮胎胎压的提高直接影响到轮载作用于路面的压力分布形状和量值大小,从而导致面层、基层受到超常的应力作用,产生裂缝。
2.3材料因素与裂缝
(1)沥青混凝土。
沥青的品种和质量是影响沥青路面温度开裂的主要原因。
(2)半刚性基层材料。
干燥收缩是由于混合料失去水分引起的,混和料中游离水分的减少缩小了颗粒间的空隙。
2.4养护对策研究
(1)沥青材料和沥青混合料。
沥青路面的温缩裂缝的发生与沥青结合料和沥青混合料的低温抗裂性能直接相关,提高沥青及沥青混合料的质量对于减少及防止横向裂缝有重要的影响。采用改性沥青,例如SBS改性沥青对沥青结合料的抗裂性能起到重要作用。
(2)半刚性基层材料。
①调整无机结合料稳定集料的矿料级配,增加粗集料用量,减小细粉含量,使集料混合料尽可能形成嵌挤结构。②适当降低半刚性基层的强度和刚度。一般而言,强度和刚性越大的混合料,收缩性能也越大,材料的极限拉伸应变越小,越容易开裂。这一点早在“七五”国家攻关课题中就已经得到了充分的试验验证。
3路基
路基填方较高,路基土自重对路面结构变形有决定性影响,是产生不均匀沉降进而诱发纵向裂缝、横向裂缝的主要原因。通过加强路基土的稳定处理可以减小路面结构厚度,与使用密度小的路基填料结合,可以减少由于高填方路基不均匀沉降产生裂缝的可能性,同时也可防止平整度恶化,防止交通事故。
裂缝只是病害的一种中间形态,如果及时养护、封缝,对路面本身的行驶质量不会造成太大的影响。如果属地基下沉造成的纵向裂缝,必须有针对性地进行施治,否则会越来越严重。目前,国内外沥青路面裂缝修补已有一些通常的作法,一般可根据裂缝的宽度和深度确定具体的修补工艺,根据路面裂缝的实际情况主要采用以下几种方法对裂缝进行养护处理。
压浆法、普通沥青灌缝、SBR改性乳化沥青灌缝、灌缝胶修补裂缝、使用抗裂贴。
一般来说,裂缝出现初期只需采用普通沥青或改性沥青进行常规灌缝,当裂缝宽度较大时,则采用开槽灌注密封胶的方法。该方法密封裂缝的有效率高,使用寿命长。针对裂缝病害的其它治理措施有设置预切缝、沥青表面处治措施、路面挖补及罩面、局部换填柔性基层。
本文结合高速公路的典型裂缝病害资料,对高速公路沥青路面裂缝类病害的分布、发展、产生原因及常用的裂缝治理措施进行了总结,得出以下结论。调查结果显示横向裂缝的贯通状况、间距分布上表现出一致的规律,显示出较强烈的非荷载特性,这些信息客观地说明横向贯通裂缝的产生与环境温度、材料、结构组合有重要关联。调查结果显示,对裂缝的承受能力,SMA显示出略优于SAC或AC-16Ⅰ型普通密级配的趋势。从路面结构设计、材料等方面提出高速公路沥青路面裂缝的预防措施,着重总结现有路面裂缝的常用治理方法,并详细介绍采用柔性基层治理路面纵向裂缝的方案。