浅析半刚性基层沥青路面反射裂缝

摘要：描述了半刚性基层和沥青面层材料与产生裂缝相关的力学性质，对沥青面层产生反射裂缝的过程进行了分析。为了减少市政道路反射裂缝的发生，从结构设计角度提出了相关建议。

关键词：市政道路；半刚性基层； 反射裂缝 ； 应力

1前言

在市政道路中，半刚性基层沥青路面已经是一种非常成熟和普及的道路结构形式。因为其表面平整、行车舒适、耐磨、噪音小、施工周期短、养护维修简捷等特点，而得到各地区的广泛应用。同时，因为半刚性基层与柔性的沥青面层的结构组合而产生的反射裂缝问题也日益凸显。无论是新建的道路还是旧路铣刨重新罩面的沥青面层，在经过几个冷暖季交替后都会出现不同程度的反射裂缝。

2半刚性基层的裂缝成因分析

2.1半刚性基层材料的力学特征[1]

2.1.1干燥收缩特征： 半刚性材料经过拌合压实后，由于水分挥发和混合料内部的水化作用，混合料的水分会不断减少。由此发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间水的作用和碳化收缩作用等会引起半刚性材料体积收缩。半刚性材料的干缩特性大小与结合料的类型、剂量、被稳定材料类别、粒料含量、小于0.5mm的细颗粒的含量和龄期有关。

2.1.2温度收缩特征：半刚性材料是由固相、液相和气相组成，会随着外部环境温度的升降而产生体积的胀缩。半刚性材料的外观胀缩性是三相不同的温度收缩性的综合效应结果。原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩系数较小，粉粒以下的颗粒温度收缩性较大。

2.1.3疲劳特征：半刚性基层材料具有明显的疲劳特性。在一定的应力条件下，材料的疲劳寿命取决于材料的强度和刚度，强度越大刚度越小，其疲劳寿命就越长。

2.2半刚性基层由于温度收缩和干燥收缩产生裂缝

半刚性基层的温度收缩与干燥收缩一般同时发生，所以其胀缩率是温度与湿度相互作用的综合效应。半刚性基层一般在高温季节期间施工，成型初期内部含水量大，且未被沥青面层封闭。此时基层内部的水分必然要蒸发，从而发生由表及里的干燥收缩。同时，环境温度存在昼夜温差，所以，修建初期的半刚性基层同时受到干燥收缩和由昼夜温差引起的温度胀缩疲劳的综合作用，这个阶段是以干燥收缩为主、温度收缩为辅的综合过程。经过一定龄期的养生，半刚性基层铺筑沥青面层后，由于基层内相对湿度增大，使材料的含水量有所回升且趋于平衡，这个时期半刚性基层的收缩主要是温度收缩作用。含粉料较多的半刚性基层材料以干缩为主，含集料半刚性基层较多的材料以温缩为主。在温度收缩和干燥收缩的综合作用下，半刚性基层内部产生的应力大于其本身的抗拉强度时就会产生收缩裂缝。

2.3重交通荷载作用下产生裂缝

半刚性基层作为道路的承重层，重交通对基层的影响非常大。在重载作用下，半刚性基层会因为其本身强度不足以承受过大的弯拉应力而产生裂缝。

2.4应力疲劳作用产生裂缝

在正常使用情况下，由于半刚性基层材料的抗拉强度远小于其抗压强度，在车辆荷载收缩应力的重复作用下，结构层底部的弯拉应力（应变）超过其疲劳强度（它较一次荷载作用的极限小得多）时，基层底便产生裂缝，并逐渐向表面发展。这种裂缝开始大都是细而短的横向开裂。结构层达到临界疲劳状态时所承受的荷载重复作用次数为疲劳寿命。其大小主要取决于所受到的重复应力（应变）的大小，同时与结构层的环境因素有关。

3基层裂缝反射到沥青面层的原因分析

3.1沥青混合料的基本力学性质[2]

3.1.1沥青混合料的强度：沥青路面面层处于三向应力状态，各点的应力状态不仅随坐标变动，且随车轮荷载的运动而变化。沥青混合料抵制破坏的强度指标主要有三个方面：剪切强度、断裂强度、临界应变。

3.1.2沥青混合料的粘弹性性质：沥青混合料是一种典型的弹、粘、塑性综合体，在低温小变形范围内接近线弹性体，在高温大变形活动范围内表现为粘塑性体，在通常温度的过渡范围内则为一般粘弹性体。

粘弹性材料力学性能基本特征表现在以下方面：

1） 应力应变关系的曲线及其不可逆性。

2） 对加载速度（时间效应）和试验温度（温度效应）的依赖性（如图1）。

3） 具有十分明显的蠕变和应力松弛特征。

3.1.3影响沥青面层抗反射裂缝能力的因素 [3]

1） 沥青的稠度和氧化速度。沥青稠度是延缓反射裂缝的一个重要因素，沥青的温度敏感性、周围的气候条件、沥青用量及抵抗硬化的能力都影响裂缝发展通过沥青面层的速度。在沥青中加硫可使沥青混合料在高温时有足够的稳定性，同时降低低温劲度，以抵抗冬季的反射裂缝。反射裂缝出现的迟早，部分地取决于沥青的氧化速度。沥青混合料采用低稠度的（针入度200~300）优质沥青，在混合料拌合过程中，保证沥青不过多氧化（温度不过高和加温时间不过长），可以增加沥青面层材料抗拉开裂性能。

2） 沥青混合料的空隙率。空隙率明显影响沥青混合料的疲劳寿命，高质量的压实可延缓裂缝的展开，还可以减轻路面使用过程中沥青的硬化。

3） 混合料中沥青的含量。增加沥青的含量，可以提高沥青混合料的抗疲劳开裂能力，同时还可以使混合料更密实，延缓沥青老化。

提高沥青面层材料的抗反射裂缝的能力，主要是指加掺加剂改进和加强沥青混合料抗反射裂缝的能力。总结世界各国过去数十年的经验，选用抗老化性能好、黏度低的沥青可以提高面层沥青混合料抗反射裂缝的能力。改良和加强沥青混合料的各种方式中，以乳化橡胶沥青和SBS改性沥青的使用较有效果。此外SMA路面具有沥青含量高、空隙率小、变形能力大等优点，对抗反射裂缝效果明显。

3.2反射裂缝形成的原因

反射裂缝是于交通荷载及温度作用，在已开裂的旧路面或基层上的沥青面层中将出现4种主要应力或应变：由于交通荷载作用引起的弯拉应力σw （如图2、图3）、

由于交通荷载作用引起的剪应力τ、由于低温收缩引起面层的温度应力σt、由于低温收缩时基层裂缝伸缩引起沥青面层应变ε。

3.3沥青面层的收缩裂缝与基层裂缝之间的耦合关系

3.3.1温度裂缝：由于沥青面层是受约束的，所以在低温或温度骤降的情况下，沥青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或极限拉应变，沥青面层就会开裂。或者在温度应力的反复作用下，沥青面层产生疲劳开裂。一般来说，温度裂缝有两种，一种是一次性降温形成的温度收缩裂缝（如图4）：

在冬季气温骤降时，沥青混合料内应力来不及松弛的，温度应力超过了沥青混合料的极限抗拉强度[4]。沥青混凝土温度收缩系数为25 *10-6~40*10-6，冬季一次大幅降温产生的拉应变可能达300 *10-6~500*10-6，远远超出了沥青混凝土的极限拉应变，沥青面层表面薄弱处就会产生裂缝，沥青面层的薄弱处越多，产生的横向低温裂缝愈多[5]。

3.3.2温度疲劳裂缝：温度升降反复作用的温度应力疲劳使沥青混合料的极限拉应变或劲度模量变小，又加上沥青老化使沥青劲度增高，应力松弛性能下降，故可能在高于低温开裂气温的情况下发生开裂[4]。

3.3.3裂缝之间的耦合关系：由于半刚性基层裂缝处的沥青面层底部是道路结构的薄弱点，裂缝两端的半刚性基层可以视作N个自由板体的平布组合。半刚性基层裂缝处则形成其温度胀缩的自由端，虽然随着温度变化而发生的裂缝开闭释放了基层内部的应力，但却因为沥青面层和半刚性基层的大面积有效粘合而在裂缝处产生了应力集中现象（如图5）。

尤其在低温状态下，沥青面层会在半刚性基层收缩而产生的水平摩擦力的作用下而拉裂。由此可见，沥青面层的温度裂缝与半刚性基层的收缩裂缝之间存在一定的耦合关系。

3.4外荷载作用下裂缝处的应力集中现象描述（如图6）

面层底部的弯拉应力σw可近似按弹性层状体系理论计算。由于弹性层状体系理论假定各层均质、连续，层间接触完全连续或绝对光滑。当基层出现裂缝，裂缝附近的连结层被破坏，且面层底部局部悬空，故面层底部弯拉应力随之增大。但随着面层厚度增加，弯拉应力也随之减小，即反射裂缝出现的可能性也随之减小。

行车荷载施加在面层的应力将通过基层、底基层传递到路基中，如果把半刚性基层看作一个完整板体，则在产生裂缝后应力通过一块板传递到另一块板上，因此在裂缝处就出现了剪应力。剪应力主要取决于半刚性基层在裂缝处传递剪力的能力，当裂缝较宽，两侧无啮合作用，就失去传递剪应力的能力，因而裂缝自由端产生应力集中，使沥青面层发生剪切破坏而产生反射裂缝 。

3.5水平荷载的撕裂作用

路面交通通过车轮的摩擦力使车辆产生水平运动，在车轮滚动过程中会对路面形成瞬时水平荷载。由于沥青面层与半刚性基层的黏结作用，水平荷载会被面层与基层之间摩阻力抵消，即P1=P2。但在半刚性基层裂缝处层间的整体黏结被破坏，摩阻力无法连续传递。这会导致由裂缝两侧的局部沥青面层承受水平荷载。当P1>P2时，沥青面层便会产生向P1方向滑移的趋势。所以当P1与P2差值足够大时会对沥青面层产生撕裂效果（如图7）。

4反射裂缝的危害

反射裂缝是半刚性基层路面最主要的病害。它的危害在于从裂缝中不断进入水份使基层甚至路基软化，造成基层、路基强度降低，最终导致沥青路面承载力下降，进而造成路面局部或整体损坏，加速路面结构破坏[6]。可以认为，路面的反射裂缝相对于其它形式的病害具有一定的根源性，会比其它形式病害提前发生并与之同期共存。

5从结构设计角度预防反射裂缝

在满足道路使用功能的前提下，提高基层或面层的稳定性，增强基层、面层的整体协调性，以减少反射裂缝的产生。

5.1降低基层的刚度，向柔性化发展

加强道路基层材料的研究，深化研究基层材料的物理化学性质和组合特征，优化基层混合料的配比，使基层混合料的刚度适当降低的同时又能满足承载能力的需求，增强其与沥青面层的整体协调性，达到降低和均匀分配道路结构内部应力的目的。

5.2大力研究半柔性复合路面的开发，适当提高面层的刚度[7]

半柔性复合路面最早在法国开展了应用研究，法国专利称为“Salviacim”施工法，即“灌水泥浆开级配沥青混凝土路面施工法”。英国、美国等国家也相继对这一课题进行了研究，发表了有关半柔性复合路面的材料力学性能和结构计算方法的论文报告。国内于20世纪90年代开始对半柔性复合路面进行研究，并已经取得了初步研究成果。由于半柔性复合路面的刚性增强，对抵御基层裂缝反射效果明显，但由于其刚度的提高，也对基层的施工质量提出了更高的要求。基层要强度高而且要求平整、密实才能有效防止面层产生过大的荷载应力集中现象。

半柔性复合路面是一种新型路面形式，没有现行的设计方法和规范可供参考。由于施工工艺及配套设施复杂，使得这种工艺一直未得到大范围推广，仅在部分公路上做过一些探讨性试验。根据施工工艺和材料可分为三种类型：水泥灌浆沥青混凝土路面、水泥沥青混凝土路面和乳化沥青水泥混凝土路面。加大半柔性复合路面的研发和推广力度对道路结构整体稳定性研究有着非常积极的作用。

5.3柔性基层：沥青稳定碎石基层[8]

沥青稳定碎石（Asphalt Treated Base，简称ATB）属路面柔性结构层材料，具有较高的抗剪强度、抗弯拉强度和抗疲劳性。设计良好的沥青稳定碎石不仅具有较高的强度和刚度，用于基层材料时，能有效地完成应力消散，避免应力集中；由于与沥青面层材料性质相似，能与面层牢固黏结保证层间连续接触，避免沥青层内部出现较大的剪应力和弯拉应力。沥青稳定碎石混合料裂缝自愈能力强，具有良好的路用性能。

沥青稳定碎石混合料是黏弹性材料，相对于半刚性基层具有良好的抗开裂能力，并具有一定的裂缝自愈能力。同时，由于具有应力松弛特性，所以沥青稳定碎石混合料作为道路基层时具有良好的耐疲劳性能，保证沥青路面结构承受荷载重复作用而不发生破坏。

我国目前的沥青路面结构中基层形式以半刚性基层为主，沥青稳定碎石基层是不同于半刚性基层的柔性基层，相比于半刚性基层，沥青稳定碎石具有下列优势：

5.3.1沥青稳定碎石基层沥青路面，由于面层和基层材料结构相似，路面结构受力、变形更为协调；道路结构中的应力大大降低，能够降低裂缝出现的可能性。

5.3.2沥青混合料对水分的变化不敏感，受水和冰冻影响小，不会因为干缩裂缝而导致面层出现反射裂缝。

5.3.3设计优良的沥青稳定基层混合料能保证一定的空隙率，使水分顺畅地通过基层排出，不会滞留在道路结构中引起路面破坏。

5.3.4沥青稳定基层具有良好的抗温度收缩性能，不会产生大量的温宿裂缝，对已经形成的裂缝具有一定的自愈能力。能够有效减少面层的反射裂缝数量。

5.4优化沥青混合料配比，大力研发和推广SMA技术增加沥青混合料的抗裂性[9]

华南理工大学的研究表明，沥青路面抵抗反射裂缝的能力主要取决于混合料本身，混合料类型相同时，使用改性沥青并适当增加沥青用量可以明显提高混合料抗反射裂缝的能力。矿粉用量、纤维用量及纤维品种对反射裂缝的影响也很大。Kohler根据试验提出，在沥青正常使用范围内，沥青用量越大，混合料的疲劳寿命越长，即抵抗反射裂缝的能力越强。江苏省交通科学研究院的研究认为，同样厚度的沥青面层，采用不同的沥青，不同的沥青混合料，设置不同的防裂层，其抗反射裂缝能力明显不同。例如，上面层采用SMA-16的抗裂能力是AC-16抗裂能力的两倍以上，使用改性沥青的混合料抗反射裂缝的能力有所增强。

6结语

道路结构的本质是为了满通运输需要对原地况地貌进行的改良，可以将道路整体结构作为一个系统来考察分析。道路的受力模型是层状的半无限体，是理想化的受力状态。但是实际上道路结构的材料特性、施工工艺、沉降、荷载、湿度、温度、疲劳特性等每一个已知的和未知的因素都无时无刻的影响着道路结构的受力状态，这就导致半刚性基层和柔性沥青面层内部应力的多变性、活跃性。当众多因素导致的应力、应变突破系统稳定限度时，系统稳定态将被打破，产生裂缝释放应力是系统重新建立另一种稳定态的自然趋势。可以说，道路基层产生裂缝和面层出现反射裂缝是不可避免的，反射裂缝的产生更是多因素共同作用的结果，产生的过程是复杂多样的。但是通过观察分析反射裂缝的形态深入探索其形成原因，加强新材料、新技术、新结构组合的探讨研发，使道路结构的受力体系更加协调稳定，反射裂缝是可以得到有效控制的。这将在很大程度上提高道路结构的有效使用寿命。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看