高速公路沥青路面裂缝成因分析及预防
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摘要 ：高速公路路面裂缝已经成为当前沥青路面破坏的主要形式之一。沥青路面使用期间，在行车荷载的反复作用下，长期处于应力应变交迭变化的状态，致使路面结构强度逐渐下降，最终产生一系列路面病害。本文分析路面裂缝形成的深层次原因，并提出合理的预防措施。
关键词 ：路面裂缝；沥青混合料；路面
1高速公路路面裂缝类型
(1)龟裂。此类裂缝形状呈一连串小多边形，一般其段边长度不大于10cm，通常是由于路面受交通荷载作用，其变形和挠度过大，在沥青路面的抗拉强度不足及在重载车辆的反复碾压下，由于路面材料的疲劳而形成的一种裂缝。在龟裂的形成初期，由于裂缝轻微，对沥青路面的服务水平影响不大，但由于路面有大量裂缝而使得路表面的水渗入路面内部，造成底面层及路面基层强度的减弱，这样便会加速龟裂面积的扩大以及裂缝的扩展，而致形成坑槽破损。
（2）纵向裂缝。纵向裂缝沿路面行车方向分布的单根裂缝，一般都较长，有时长达20～100m。一般由路基不均匀沉降或路面摊铺纵向接缝处理不当造成，或由于沥青混合料自身抗剪强度不足引起。
（3）横向裂缝。横向裂缝为与路面行车方向垂直分布的单根（或分叉）裂缝。由于地基或填土路堤纵向不均匀沉降、沥青混合料摊铺时横向接缝处理不当及温度急剧下降引起的温缩裂缝造成。
（4）反射裂缝。反射裂缝是由于下铺层的裂缝，向上传递而导致沥青面层产生与下铺层相似的裂缝，一般多发生在加铺层上。另外，在新建的半刚性沥青路面上，半刚性基层受天长日久的温度变化引起的温缩裂缝或受到外界环境湿度变化产生的干缩裂缝，也会向路表扩展形成反射裂缝。
（1）龟裂破损机理分析.沥青路面使用期间经受车辆荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，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，使路面出现裂纹，产生疲劳断裂破坏，即龟裂破损。在车辆荷载作用下，路面结构层内个点的应力应变状态，如下图所示，车辆荷载作用一次，A、B两点就会有一次拉压应力循环。路面结构层长期处于应力不断重复循环变化的状态。
在车辆荷载的不断作用下，沥青路面结构层内个点处于不同的应力应变状态，一般沥青路面其抗压强度要远远大于其抗拉强度。故沥青路面是否破坏主要是判断其抗拉强度是否足够。当结构层某计算点拉应力大于其容许拉应力时，则会导致沥青路面结构层该店产生断裂破坏，容许拉应力计算公式如下所示：
式中――沥青路面结构层材料的容许拉应力（Mpa）
――沥青混凝土15℃时的劈裂强度（Mpa）
――抗拉强度结构系数。
（2）纵向裂缝破损机理分析。纵向裂缝作为一种常见的裂缝破损形式，其产生的原因有多种可能性，除了车辆荷载作用过大、路面承载能力不足引起的纵向开裂外，更多的是由于路基压实度不均匀或由于路基边缘受水侵蚀产生不均匀沉陷而引起；或者由于沥青面层分路幅摊铺时施工纵向接缝未处理好产生的裂缝。一般纵向裂缝都较长、较宽，对沥青路面的使用性能和使用寿命影响很大。
在新建公路中由于施工碾压上的问题，经常会出现出现路基未压实或两侧密实度不均匀的情况，使路基在横向产生不均匀的沉陷。在路基沉陷处，车轮下路面面层材料的受力状态。由于路基沉陷，使路面的整体承载能力大大降低，且造成车辆荷载主要由面层承担。这时车轮下方面层底部受到的拉应力急聚增大，在车辆荷载的反复作用下，其拉应力一旦超过沥青路面材料的容许拉应力，则会导致路面开裂。同时，车轮下方面层材料还会受到急聚增大的剪应力的作用。当剪应力超过一定条件值时，上图B点附近沥青面层材料便会发生剪切破坏。
故由于路基的沉陷，造成面层材料在车辆荷载作用下承受骤增的拉应力和骤增的剪应力的双重作用，促使沥青路面在路基沉陷处开裂。这类裂缝常常是下宽上窄。严重时，裂缝两侧还有错台出现。
（3）横向裂缝损坏机理分析。而沥青路面横向裂缝的绝大部分是温度裂缝。温度裂缝有两种，一种是低混收缩裂缝。沥青路面材料在较高温度条件下，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高的温度应力。但在冬季，随着温度下降，沥青混合料的应力松弛若赶不上温度应力的增长，面层材料中产生收缩拉应力一旦超过沥青混合料的抗拉强度，沥青面层就会开裂。由于路面结构的宽度有限，收缩所受到的约束小，所以低温收缩主要是横向的。另一种是温度疲劳裂缝。由于环境气温反复升降，在沥青面层中产生的温度应力反复作用于面层材料，其应力松弛性能下降，便会在沥青面层产生疲劳开裂。在冬季负温度低的地区，通常低温缩裂是主要的，而在南方非冰冻地区，沥青面层的温度裂缝主要是温度疲劳裂缝。
（4）反射裂缝损坏机理分析。反射裂缝是一种较常见的沥青路面裂缝破损形式，特别是在半刚性基层沥青路面上出现更多些。由于下铺层的裂缝向上传递，而导致加铺层的沥青面层产生与下铺层相似的反射裂缝；在新建的半刚性基层沥青路面上，半刚性基层由于温度变化产生的温缩裂缝或由于温度变化产生的干缩裂缝，也会向面层扩展而形成反射裂缝。其形成图示如下所示：
引起反射裂缝的下铺层裂缝主要有：旧有水泥混凝土路面的裂缝或接缝；旧沥青路面的纵向裂缝、横向裂缝和块状裂缝。而半刚性基层的裂缝通常由干缩或温缩产生。在半刚性基层铺筑后，未及时按规定进行养生，或未及时铺筑沥青面层，使基层长期暴露在大气中，水分被蒸发，引起基层材料收缩而导致基层开裂。因基层的干缩裂缝和温缩裂缝大都是横向裂缝，固由其引起的反射裂缝多为横向裂缝。
4--3高速公路路面裂缝的预防措施
(1)高速公路原材料的选择。在设计阶段选择性能良好的沥青混合料，在稳定度符合的前提下，面层选用劲度较大的沥青可以减少低温收缩和高温疲劳所引起的路面裂缝，也可以通过添加某些添加剂或聚合物来提高沥青的粘合度。其次还应选择石质坚硬、表面粗糙、耐磨性强、与沥青粘附性好的集料，选择抗冲刷性能好、干缩系数和温缩系数小的材料作为基层材料。
(2)提高路基工作区的强度和稳定性。路基是路面的基础,承受由路面传导的行车荷载，必须具有足够的强度和整体稳定性，否则将产生不均匀沉降使路面开裂。因此，必须采取有效措施保障路基工作区的强度和稳定性，减小路基施工完成后的沉降量。确保路基工作区强度和稳定性的措施主要有：严格控制路基的填筑工艺，确保路基强度；施工中必须严格检测压实度以保证路基强度；降低地下水位并采用较好的材料填筑，对于土质差的地段采取换填处理方案，土质路基施工完成之后，进行土基回弹模量以及弯沉检测。弯沉计算公式如下所示：
分层弯沉值检验：Lr＜L/(K1*K2)
弯沉代表值计算：Lr＝L+Za×S
式中：Lr―试验所测弯沉代表值；
L―结构层表面弯沉的设计值；
Za―保证率系数
K1―季节影响系数；
K2―强度增长率。
S―标准差。
（3）路面、基层应有合理厚度。作为柔性路面，路面厚度的确定必须根据道路等级、交通量、道路基层、地基地质以及施工季节等因素综合考虑，通过计算确定其设计厚度。有实验数据证明，在水泥混凝土上铺筑10cm的沥青面层，累计通过标准轴载10×106次后形成反射裂缝，铺筑15cm可通过20×106次。当基层厚度增加时，其承载能力也迅速增加，当半刚性基层厚度由10cm 增加到25cm 时，其承载能力提升为最初承载力的3倍。
(4)设置应力吸收层。在基层与面层之间铺设应力吸收层可以有效地减缓反射裂缝的扩展,主要方法有设置土工布、玻纤格栅等土工合成材料；铺设低模量高变形能力的应力吸收层沥青混合料；采用大粒径开级配沥青碎石混合料作为裂缝缓解层。就材料方面而言，土工织物与沥青橡胶薄膜的弹性模量都较低、变形率较大、抗低温脆裂性能较好，效果更佳。
（5）处理初期裂缝。一经发现裂缝后应立即采取措施修补以防止水分通过裂缝渗透到基层，造成基层破坏进而影响面层。对于缝宽在6mm以内的横向裂缝或纵向裂缝，可将缝隙清扫干净吹去尘土后，灌入热沥青或乳化沥青材料加以封闭处理；对于缝宽大于6mm的裂缝，宜将裂缝内部杂质清理干净后，用沥青砂或细粒式沥青混凝土填充、捣实、封口，也可用乳化沥青混合料填封。
结语
由于路面结构形式及路面交通荷载的复杂性，路面裂缝的产生原因也较为复杂。因此，防治沥青路面裂缝必须从设计、施工以及养护等方面做起，在设计和施工时树立严把质量、预防为主的思想，最大限度降低沥青路面裂缝产生的可能性或将裂缝控制在允许的范围之内，确保沥青路面达到其设计使用寿命。
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