半刚性基层沥青路面裂缝成因分析

摘要:我国《公路沥青路面养护技术规范》(JTJ073.2-2001)将沥青路面破损分为裂缝类、松散类、变形类及其它类等四大类。JTJ073.2-2001对沥青路面裂缝类破损分类分级《公路设计手册路面》(第一版)中对沥青路面裂缝损坏作了相应分类。

关键词:半刚性基层;反射裂缝;应力强度

中图分类号:TU57+1

文献标识码:A

文章编号:16723198(2009)20029601

1沥青路面裂缝应力分析

1.1结构性裂缝

沥青路面的结构性破坏裂缝主要是由于行车荷载引起的。在车轮荷载作用下,半刚性基层材料的应力大于材料的抗拉强度时,半刚性基层的底部就会很快开裂。在行车荷载的反复作用下,底部的裂缝会逐渐扩展到上部,并使沥青面层也产生开裂破坏。影响拉应力主要因素有面层的厚度、基层本身的厚度、基层的回弹模量和下承层的回弹模量。在半刚性基层下采用半刚性材料做底基层,可使基层底面由行车荷载产生的拉应力明显减小,甚至还小于半刚性底基层底面产生的拉应力,这对半刚性基层承受行车荷载的反复作用是十分有利的。

1.2低温收缩裂缝

沥青材料在较高温度条件下,具有良好的应力松驰性能,温度升降产生的变形不致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。此时半刚性基层的底部将产生拉应力,当拉应力沥青混合料的应力松驰赶不上温度应力增长,混合料劲度急剧增大。由于沥青面层在路面中是受到约束的,面层中产生的收缩拉应力或拉应变一旦超过沥青混合料的抗拉强度,沥青面层就会开裂。这种情况在沥青面层与基层的附着力不够好、允许有一定的自由收缩时,裂缝就更容易发生。由于沥青路面宽度有限,收缩受路面结构的相互约束小,所以低温裂缝主要是横向的。

1.3温度疲劳裂缝

这种裂缝主要发生在日温差大的地区。由于温度反复升降导致沥青面层温度应力疲劳,使沥青混合料的极限拉伸应变(或劲度模量)变小,加上沥青的老化使沥青劲度增高,应力松驰性能降低,最终达到极限抗拉强度使路面产生裂缝。

1.4面层温度应力分布分析

在面层和基层均无裂缝的情况下,在沥青面层中产生的温度应力分布是这样的:一方面温度向沥青面层底部传递需要一定的时间,不是瞬时完成的,而且沥青面层内部和底部的温度不可能与其暴露表面的温度相同,始终有温度差,即沥青面层中会产生较大的温度梯度。沥青面层愈厚,表面温度与底部温度差愈大,层间温度梯度也愈大。另一方面沥青面层表面的温度应力随着面层的增厚而增加,面层内的应力随深度而很快减小,同时面层表面的温度应力随降温幅度变小而减小。沥青面层的表面一旦开裂,随着持续低温或另一次降温,在裂缝尖端会产生较大的应力集中,使裂缝向下延伸并逐渐下的半刚性基层已经开裂,并且允许有垂直位移和水平位移。垂直位移穿透整个沥青面层,由于面层底部与基层表面的粘结作用,裂缝呈现上宽下窄现象。

2半刚性路面的反射裂缝和对应裂缝

2.1由半刚性基层温缩开裂引起的反射裂缝

通常假设导致反射裂缝的机理是处于沥青面层车辆荷载引起的路面结构在裂缝处的差动位移,水平位移是由温度变化或水分变化引起的膨胀和收缩。冬季或在寒冷地区,在结合得好的沥青面层下,开裂的半刚性基层的水平位移使得直接在裂缝上的面层内产生大的拉应力或拉应变,由于在较低温度下沥青面层通常较硬,它只能承受小的拉应力或拉应变,因此容易被拉裂,并且裂缝的扩展途径是由下至上的。沥青面层的厚度愈薄,反射裂缝形成的愈早和愈多。

2.2由半刚性基层干缩开裂引起的反射裂缝或对应裂缝

对于新铺的半刚性基层,随着混合料中水分的减少,要产生干缩和干缩应力;水分减少得愈多愈快,产生的干缩应力和干缩应变就愈大。在已经产生干缩裂缝的半刚性基层上铺筑沥青面层,在较薄沥青面层的情况下,半刚性基层的裂缝会由于温度应力而使面层底部先开裂,并较快形成反射裂缝。一旦行车产生的拉应力与温度应力相结合,反射裂缝会形成得更快。在较厚沥青面层的情况下,由于温度应力在表面最大,基层的裂缝将促使面层先从表面开裂,然后逐渐向下传播形成对应裂缝。因此,面层有一个临界厚度。面层厚于临界厚度时,裂缝将主要从表面开始;薄于此临界厚度时,裂缝可能主要从底部开始。此临界厚度与气候条件、面层混合料的劲度模量、温缩性以及基层混合料的温缩性有关。

2.3由水泥稳定土的膨胀性化学腐蚀开裂引起的反射裂缝或对应裂缝

这种情况发生的主要原因是地下水总的硫酸盐等侵蚀物质与水泥中的某些物质发生交替反应,生成一种新的盐结晶,造成水泥稳定土体积开裂或引起破坏。

3影响裂缝产生的主要因素

3.1沥青及沥青混合料的性质

沥青路面所铺筑沥青混合料主要由沥青结合料、粗集料、细集料和矿粉等多种成分组成的复合材料。在混合料组成中,由于材料质量的差异和数量的多少,可形成不同的组成结构,表现为不同的物理力学性能。沥青和沥青结合料的性质是影响沥青路面温度开裂的最主要原因,沥青混合料的低温劲度是决定沥青路面是否开裂的最根本因素,沥青劲度又是决定沥青混合料劲度的关键。在沥青性能指标中,影响更大的是温度敏感性,温度敏感性大的沥青更容易开裂。

3.2基层材料的性质

基层材料的收缩性愈小,面层裂缝愈少。基层上有透层油以加强与面层的粘结对抗开裂是有好处的,基层材料种类对沥青面层的裂缝率有明显影响。

3.3气候条件

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。

3.4交通量和车辆类型

半刚性基层中的最大拉应力,通常是由最重的车轮荷载产生的;并且对于半刚性路面,不同轴载对路面的破坏作用远不是4次方的关系,而是约为16次方的关系,即使是通过次数较少的重荷载也对路面破坏起着决定性的作用。

3.5设计原因

(1)结构设计不合理。如基层厚度不够,面层分层及材料配合比设计不当,面层厚度不合理。

(2)路面、基层、底基层排水设计考虑不周。

(3)路面所处段土质和水文情况与实际出入较大,使得路面设计参数不符合实际。

(4)地基处理设计不合理,使得地基沉降未达到允许的工后沉降等。

4结语

本章对沥青路面裂缝进行了分类,探讨了沥青路面裂缝产生的主要因素,得出如下结论:尽管沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的,但由行车荷载作用产生的结构性裂缝、由沥青面层温度变化产生的温度裂缝、由基层裂缝的向上反射产生的反射裂缝是沥青路面开裂的主要原因。