沥青路面非荷载因素裂缝的分析研究与防治
沥青路面非荷载因素裂缝的分析研究与防治公路大港分局 姚家鑫摘要：沥青混凝土路面的病害有车辙泛油雍包剥落溜滑裂缝等，其中裂缝病害对路面的结构破坏最大。笔者通过学习对裂缝形成的原因（荷载因素除外）以及一些防治的措施进行一下探讨。
关键词：沥青混凝土 裂缝 半刚性基层
防治在我公路大港分局所负责维修和保养的70多公里的道路中，清一色的是沥青混凝土结构，对于这种路面来说裂缝的出现就是路面结构开始破坏的开始，随后雨水及积雪融水通过裂缝渗入到路面结构中，滞留在面层与基层的交界面上，在动水荷载的作用下，加速了基层的破坏，并通过基层渗入到路基中，引起冻胀、翻浆等病害。路面裂缝从其外观上可分为横缝、纵缝和网裂。其实网裂即为横缝纵缝共同发展的作用，网裂的形成也是坑槽形成的必要条件。以下就对裂缝形成的原因及相对的一些防治办法进行简单的探讨。 横向裂缝横向裂缝发生的原因有以下两种
（一）沥青路面的低温缩裂。这种情况一般发生在初冻，特别是气温骤变的日子里。
（二）半刚性基层的反射裂缝。其中包括基层材料的干缩和温缩。由于沥青路面是柔性路面，其抗弯拉强度较低，当基层出现连续裂缝之后不久面层就开裂。
（一）面层的低温缩裂。低温缩裂是气温下降产生体积收缩形成的裂缝。由于面层内相邻材料单元相互制约，降温引起的收缩变形受到限制，在沥青面层内产生由上至下减少的温度应力（在计算时认为是均匀的），因此面层开裂一般首先发生在顶部，并向横断及深度发展，以致形成路面横断的横向裂缝。目前国内外所普遍采用的温度应力计算方法是希尔和布莱恩提出的计算公式。 …………………………(1) 式中： ……在一定的降温速度下的累积的温度应力。 ……温缩系数，其值的范围在2.0×10-5～2.5×10-5∕℃ To……初始温度。 Tf……最终温度。 S（T，t）……沥青混凝土的劲度模量，是温度与荷载作用时间的函数。 ……在温度变化内（从To～Tf内），所划分的有限个温度区间。 t……荷载作用时间，按下式计算t= 其中 为降温速度。式（1）建立在无限完全受约束的力学模型基础上，称之为拟弹性梁法。但这种方法已经被大家所置疑，应用式（1）进行计算得到了如下结果 序号 温度间隔 （℃） 加荷时间t（h） 温度应力（㎏∕㎝2） 1 60 6 4.2 2 40 4 18.8 3 20 2 42.4 4 10 1 62.1 5 1 0.1 83.3 6 0.6 0.05 104.3 7 →0 t→0 367.2 在上表计算中，取收缩系数 =2×10-4，降温速度T‘=10℃∕h，沥青劲度有诺模图查得。从表中我们可以看出，在 从0变化到60℃时， 的值也在4.2到367.2㎏∕㎝2，这样一个很大的范围内变化，那么到底 取多少 的值是比较准确的呢？所以说这个方法计算出来的结果是不可靠的。此外，我们继续向下分析。假设把沥青试样为一个完全受限的沥青梁，降温速度为常数。当温度下降一个 时，其所需的时间为t= 即为给试件加载的时间。如果梁是自由变形的，则会产生收缩形变为 。而试件完全受限则会产生的应力为 设温度连续下降n个 ，直到Tf，则总的温度应力为： 我们令n→0，则 →0，则上式变为： 并且由于 则上式变为 众所周知，沥青的劲度模量是随加载的时间而增加的，当加荷时间趋于0时，劲度模量趋于水平线。如下图： 即 （㎏∕㎝2），所以 = ×3.06×104（To－Tf）…………………（2）通过式（2）可以看出，温度应力与降温速度无关，与沥青的性质无关，只与起讫温度有关，但是这个结论与下面实测的结果是矛盾的。－20℃的各种沥青路面面层温度应力序号 沥青类型 温度应力（MPa） 1 克拉玛依－90 0.8 2 单家寺－90 1.2 3 茂名－60甲 1.4 4 胜利－100 2.2 5 胜利－140 1.4 6 锦西－60 4.0 7 氧化渣油－100 3.5 通过上表可以看出，各个沥青品种的低温缩裂性能差异是较大的，主要是各种沥青的含蜡量的不同引起结构上的不同，反映在性能上也就是其在高温及低温时的粘滞度的变化。在考虑沥青粘弹性的情况下，再做分析。粘弹性的物体具有蠕变（在常应力作用下，应变随时间增加而增加）和松弛（在常应变的作用下，应力随时间的增加而减小）的特性。降温过程中在形成新的收缩应力时，原有的收缩应力在松弛，（松弛时间可表示为 ，其中E为弹性模量， 为粘滞度）当应力增加的速度大于松弛的速度，并累积达到该温度下的材料强度值时路面开始开裂，因此降温速度是关键条件。降温速度越快，产生的应力就越大，尤其对那些松弛能力差的沥青，影响就更为显著。在充分考虑了沥青的粘弹性后，可将公式（1）重新描述如下： …………………（3） 这一公式表明，温度应力的积累依赖于材料的收缩系数 ，松弛弹性模量 ，及降温速率 。因此，影响沥青混凝土低温缩裂性质有以下几方面。 ① 混合料的收缩特性因素。如式（3）所示，收缩系数正比于温度应力，由下式计算， 其中， 为标准温度下的体积， 标准温度下温差 所造成的体积变化。沥青单体的收缩系数约为混合料的5～8倍，级配良好的集料的宏观影响大大提高了沥青的低温性能。此外，选择那些内摩阻力大，冻融损失低与吸水率小的集料可保证具有较大的抗横裂能力。 ② 沥青混合料的应力松弛性能的影响因素。混合料的应力松弛性能通常是以松弛弹性模量通用曲线 来描述。在计算时，其值可以通过松弛实验而得到，但难度较大。也可以利用其劲度模量代替其值，精度也满足要求。我们从劲度曲线上可以明显的看出其流变性质。 能迅速松弛的，曲线能迅速地由水平转为45°线例如Ⅰ，不能松弛的始终保持水平例如Ⅲ，大部分沥青的劲度主曲线分布在其中例如Ⅱ。目前，国内所用15℃的延度和低温脆点两项指标来评价沥青的饿低温性能，但也出现了异常的现象。例如，胜利－140（低温脆点为－15℃）的低温缩裂比阿油多（低温脆点为－4℃）还要严重的多。因此，采用新的指标——流变指数L来描述其性质已经得到了大家的认可。其公式描述如下： L=lgts·lgEr（t=1） 其中ts—沥青材料由弹性转变为粘性流动的转折时间，其范围在－36～15℃之间；Er（t=1）—作用时间为1秒的松弛弹性模量，一般取为3.06×103（ Mpa）。 L值越低说明其性能越好。按流变性能对下列沥青性能的优越进行排列，以供参考。阿油—60＞茂名—60甲＞胜利—140＞胜利—100＞胜利半氧化—60＞锦西丙脱—60＞氧化渣油—100。 ③ 几何尺寸的影响因素。 ⅰ宽度。现场研究表明，温缩裂缝在较窄的路面上纵向间距较小，在较宽的路面上较大。例在7m的路面上间距为30m，在宽15～30m的路面上间距为46m以上。随着路面的老化，再出现二级及三级裂缝。 ⅱ厚度。一般情况下，加厚路面的厚度只能减小低温缩裂的可能性，但不能根治。根据实际观察，厚度在3.5～4.5㎝，间距在6～8m，厚度在9㎝，间距在20～30m。
（二）半刚性基层的反射裂缝。半刚性基层作为沥青路面的基层（底基层）是路面承重的主要部分，作为承载能力的象征（即抗弯拉能力），其弹性模量应该且总是较大的，以减少路面的弯沉，以及由荷载引起的面层及基层本身的弯拉应力。但是为了减少面层出现发射裂缝的可能，由下式看出， ，半刚性基层的E值应该在满足承载力的要求下尽可能的小，即半刚性基层具有一定的变形能力。半刚性基层的收缩方式有干缩和温缩。为防止其干缩和温缩可以从以下几方面入手。 ①控制压实时的含水量。由于含过多的水会使半刚性基层干缩裂缝显著，应使其含水量略小于最佳含水量。 ②严格控制压实标准。实践证明，压实度小时产生的干缩要比大时严重。 ③温缩的最不利季节是在0℃～10℃时。因此，施工要在当地气温进入0℃前一个月结束。 ④干缩的最不利季节是在其成型初期。因此，要重视初期的养护，保持表面处于潮湿的状态。 ⑤半刚性基层铺筑完成之后，及时地铺筑面层使其含水量不发生明显的变化，可减少干缩。 ⑥在基层和面层设置沥青碎石联结层，以及铺筑碎石过度层，或者铺洒较稠的透层油都可以最大限度地减少基层的反射裂缝。以上是被动地减少基层反射裂缝的措施，我们也可以从基层材料入手，例如向材料中加入氯丁胶乳，可大大增加基层的变形能力。此外，半刚性基层对沥青混合料的低温缩裂也有直接的影响。通过下图，我们可以看出路面中的温度随深度而变化的趋势。也就是说路面中的温度也并不是完全受自然因素（温度、空气流速等）的影响，也与基层的导热性有关。 利用平面非稳定温度场的计算模式，并结合应力松弛理论而得出在不同深度下的应力随基层导热系数而变化图，如下图： 如图所示，路面的温度应力是不均匀分布的，基层材料的热物理特性影响是显著的，随基层材料导热系数的增大而减小，因此，我们应该选取导热性能好的材料来做上基层。常用道路材料导热系数测定值材料名称 导热系数W∕mh℃ 沥青混合料 0.9～1.5 碎石 1.9～2.1 二灰土（10：30：60） 0.7～1.0 石灰土（10：90） 1.1～1.3 碎石灰土（30：70） 1.3～1.7 水泥土（8：92） 1.2～1.4 炉渣 0.4～0.8 土基 1.5～1.8 在上表中可以看出，碎石的导热系数最大，在基层中增加碎石的含量可以减少低温缩裂裂缝。 纵向裂缝纵缝有的位于路中心，有的位于路两侧（距中心约2m左右），其形成原因一般有以下几种。
（一）路基的不均匀沉降，在行车荷载的作用下产生裂缝。
（二）路基产生不均匀冻胀。
（三）分幅施工及路面加宽时，接缝处理不当，在长时间的行车荷载作用下也极易产生纵向裂缝。
（一）地基处理不当或局部压实度不够，使路基产生不均匀的沉降，在行车荷载的作用下，在面层顶部产生弯拉应力，方向沿路面横向，因此，产生沿路向的裂缝。所以，在新建的道路工程中，对软土地基等一些不良地基的处理过程中，要认真对待，切勿因小失大。此外，对路基每一层填土及基层的压实度均要达到要求，最好是超过要求的压实度。在施工现场中，影响压实度的因素有以下几方面： ⒈含水量对压实度的影响。较低的含水量，土颗粒间摩阻力加大，压实困难。过大的含水量，在压实的过程中，容易发生“弹簧”现象，从而，不能压实。因此，要根据土的特性，使其在最佳含水量时压实。 ⒉碾压层的厚度。机械压实作用能达到的深度与土质及机械类型有关，土的粘性小并接近最佳含水量时，能达到的压实深度就大。碾压层的厚度应该与压路机的质量或功能相适应，也随压路机的类型而变。在现场中，应该通货现场的碾压实验和分层测定干密度来确定其厚度。 ⒊碾压遍数。压路机的碾压遍数对路基土和路面材料的密实度的影响是较明显的。碾压遍数与土和集料的干密度之间的定性的关系如下图： 从上图中可以看出，同一压路机对同一种材料进行碾压时，最初的若干遍碾压，对材料干密度的影响很大。碾压遍数继续增加，干密度的增长逐渐减小，遍数超过一定的数后，干密度就不再增加了。 ⒋碾压速度。其对路基填土和路面材料所能达到的密实度有明显的影响，且如果过快还容易导致被压层的平整度变差。在相同碾压遍数情况下，速度越高，所得的压实度越低。例如，使用12吨压路机在碾压4遍的情况下，如速度为1.5㏎∕h，压实度可达95.6%，如速度为6.0㏎∕h，压实度只有93.6%。通常，对于层厚和难压实的材料来说，应采用较低的速度。
⒌集料的级配。实践证明，均匀颗粒的砂和单一尺寸的砾石，都难于压实。在实际的施工中，防止级配集料在压实过程中发生离析现象是至关重要的，如果出现要进行及时的补料。
⒍集料的质量。如果集料颗粒过软，在压路机的碾压过程中，很容易被压碎，从而破坏集料的级配，影响集料所能达到的密实度和强度。所以，控制集料的硬度是重要的。
⒎土质的类型。这是一个非常重要的因素，我们本着就地取材的原则也就使我们失去了过多的选择的余地。我们应该根据修筑路段内土的类型，充分考虑以上几点，使其达到最大的压实度。最合适的填筑土依次为砂砾土、砂土、亚砂土、粘土、有机质土。
（二）由冻胀产生的裂缝，一般情况下源于地基的冻胀力。在冬季土基冻结的情况下，土的弹性模量较平时增加数倍甚至达到十几倍。冻结的土基与路面连成一起共同工作，路面处于弹性状态。土基冻胀后产生变形，也就是向上隆起。但由于土基基层路面面层热物理性能的差异，使它们的变形并不协调，因而使弹性模量较大的面层产生弯拉应力，超过其自身强度时便开裂。冻胀要具备三个条件。
⑴路基属于冻胀土壤。例如，粉性土。
⑵有充足的补给水源。地下水位较高，地势平坦，有积水等。
⑶有适宜的温度梯度。气温的寒暖交替，使路基的冻结线长时间的停留在距面层较近的范围内。于是，土壤中的水分在温差的作用下产生聚流现象，大量的水分从土基深处及路肩两侧未冻区域聚流到上层冻结区。要把冻胀的破坏降低到最低限，我们除了改善土质，加强排水外还可以增加防冻层的厚度，即增加路面结构的自重。其作用可由下式反映出。 M冻≤M材+M自重式中： M材= M冻= M自重= IE——路面冻结结构刚度。I为单位宽截面刚性力矩。E为综合结构的弹性模量。 ——泊松比 ——路面单位重 H——路面总厚度 ——路面受弯时路表面距中性轴的距离。 ——路面材料的极限相对延度。 ——路面的刚柔系数。对绝对刚性板取0，对绝对柔性板取1。 总之，对于沥青路面裂缝的防治应该从设计施工养护三方面同时入手，才能达到比较好的效果。