杨栋
山东建筑大学 山东济南 250101
摘要：近年来，随着交通运输业的快速发展，公路的等级越来越高，半刚性路面在高等级公路设计中的应用也日益广泛，然而随之而来的是裂缝问题。国内已建高速公路使用调查表明，不论南方还是北方，通车后一年最迟第二年均出现了大量裂缝，裂缝率最高达640m/1000m2，现场钻芯取样观察表明，裂缝中有50%以上为半刚性基层先开裂而导致沥青面层开裂的反射裂缝。反射裂缝的产生，往往是沥青路面损坏加剧的开始，由此导致雨水沿裂缝下渗，软化半刚性基层造成基层刚度不足而形成唧浆、沉陷等病害。因此如何提高半刚性基层沥青路面的使用质量，减少沥青路面的反射裂缝是目前国内外研究者所面临的共同问题。
关键词：反射裂缝、基层刚度、沥青面层
前言：国内已建高速公路调查表明，通车一至两年间大多数公路路面都会出现不同程度的裂缝，而且其中50%以上是由于基层先开裂而引发的反射裂缝。反射裂缝对路面结构的整体性和连续性产生严重的破坏并在一定程度上削弱了路面结构的强度，而且随着雨水的浸入会导致基层变软造成路面强度大大降低，在大量行车荷载反复作用下会产生冲刷和唧泥现象，从而严重影响路用性能甚至导致路面很快产生结构性破坏。
1 半刚性基层裂缝产生机理
1.1 温度收缩机理
半刚性基层的无机结合料稳定料是由固相(组成其空间骨架的原材料的颗粒和其间的胶结料)、液相(存在于固相表面与空隙中的水和水溶液)和气相(存在于空隙中的气体)组成，固液气三相在降温过程中相互作用，使无机结合料稳定材料产生体积收缩即温度收缩。无机结合料稳定材料温缩主要受组成矿物单元的含量比例、结构强度及各组成矿物单元的影响。水是影响此类材料温度收缩的主要因素，特别是在非饱水状态时影响较大。水对无机结合料的影响主要通过扩张作用、毛细管张力和冰冻作用实现。
1.2 干燥收缩机理
干燥收缩是无机结合料稳定材料因内部含水量变化而引起体积收缩的现象。其基本原理是由于水分蒸发而发生的毛细管张力作用、吸附水及分子间力作用、矿物晶体或凝胶体的层间水作用、碳化脱水作用而引起的宏观体积变化。当水分蒸发时，毛细管水面下降，弯液面的曲率半径变小，致使毛细管压力增大，从而产生收缩。毛细水蒸发完结后，随着相对湿度的继续减小，半刚性基层材料的吸附水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，颗粒间距离变小，分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩。其收缩量要比毛细管作用的影响大得多。因此，无机结合料的矿物成分对分散度影响最大;集料增加对水的作用减小;龄期增加，强度增高，可使干缩降低。可见初期养护不良或含水量太大，必将导致很大干缩。
2 反射裂缝的扩展
2.1 反射裂缝的纵向扩展
断裂力学认为，裂缝的扩展有三种位移模式：张开模式、剪切模式和撕开模式。其中温度应力对反射裂缝影响的模式为张开模式，行车荷载对反射裂缝影响的主要模式是张开模式和剪切模式。当车轮驶经裂缝的正上方时，以张开模式来引起反射裂缝，当车轮驶在裂缝之前和之后的位置时，以剪切模式影响反射裂缝。撕开模式在罩面层中不常出现。与张开模式相对应的温度型反射裂缝通常产生于罩面层的底部，而后向上逐渐扩展到罩面层顶面。
2.2 反射裂缝的横向扩展
反射裂缝在瞬间是不可能贯穿整个路面宽度，除非在应力作用时，裂缝的长度已经等于或大于相对整个路面宽度的临界长度（这里的临界长度是指当裂缝的长度接近或大于该长度时，裂缝的扩展非常快而且是不稳定的）。较为合理的发展过程是裂缝首先在路表面某些位置产生，然后再向两侧扩展。一般情况下，反射裂缝多出现在轮迹处，因为温度对反射裂缝的影响在整个路面宽度内都是相同的，而行车荷载则是以一定的频率分布在车道上的，尤其在渠化交通的道路上。反射裂缝一经出现，水分的浸入、氧化以及行车的反复作用，常常使得反射裂缝加速向四周扩展，即使裂缝贯穿整个路面宽度，也不会立即影响到行车的舒适性。
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3 预防半刚性基层沥青路面反射裂缝的主要措施
3.1 改性沥青的使用
使用改性沥青，能大大改善普通沥青路面的特性，能有效的防止裂缝的进一步扩展，延长沥青路面的寿命，此措施虽不能根除裂缝，但能延缓裂缝的发展，增长使用周期。
3.2 增加沥青面层的厚度
通过增加沥青面层厚度以防止基层反射裂缝，国际上通用的结论是需要将沥青面层增加至15～25cm。增加加铺层厚度，一方面可以减少旧面层的温度变化，并降低加铺层的拉应力，另一方面可以增加路面结构的弯曲刚度，降低接缝处的弯沉差，减少加铺层的剪切应力。同时，可以延长其疲劳断裂寿命。
3.3 进行半刚性材料的合理组成设计
通过进行半刚性基层材料的合理设计，如：调整结合料用量与比例，增加粗骨料含量并严格设计级配，以尽可能的减小其温缩和干缩系数，增加半刚性基层材料的抗裂性能，但是不能从根本上消除半刚性材料的开裂而导致的路面反射裂缝。
3.4 在面层与基层之间增加级配碎石层
采用具有一定厚度的优质级配碎石作为上基层，而用半刚性材料作为下卧层，这种上柔下刚式的“组合基层”在很大程度上能够防止和减少半刚性基层反射裂缝，同时级配碎石基层还能充当具有排水功能的基层。
3.5 加铺土工织物或格栅
包括聚丙烯或聚醋织物和聚乙烯、聚丙烯或聚醋无纺织物。无纺织物厚度为0.4mm～4mm，模量为10MPa～160MPa，临界应5MPa～20MPa，临界应变40%～140%。织物的厚度较薄些，为0.4mm～0.7mm，模量则高些，为400MPa～1500Mpa，临界应力和应变相应为40MPa～140MPa和8%～15%。无纺织物夹层的主要作用与橡胶沥青应力吸附夹层相似。而织物由于模量稍高，可对加铺层起少量加筋作用。
3.6 基层预切缝
基层预切缝方法是在铺沥青面层前将半刚性基层按一定间距设置预锯缝，且设法让这种裂缝仅保留在基层本层，而不反射到面层。基层采用预锯缝来减少沥青面层反射裂缝的措施在国内外工程实践中有一定的应用，且国外应用也较早，在锯缝防裂基础上铺设一定宽度土工织物，既起到了防渗作用，又在一定程度上缓解了裂缝处沥青面层应力集中，从而延缓或消除了面层反射裂缝的产生。实践证明，这些措施达到了一定的防裂效果，但是各种防裂效果的防裂效果和机理不相同，且各类措施防裂效果很有限。因此，如何采取措施以较少或延缓路面的反射裂缝还应根据路面结构的实际情况，综合利用多种防裂措施与方法以达到最佳的防裂效果。
4 结语
通过对沥青路面反射裂缝的成因分析可知，反射裂缝是在基层开裂的前提下，经温度应力和外荷载的作用，使沥青铺层下表面出现拉应力，当此拉应力超过沥青铺层的抗拉强度时，就会出现裂缝，裂缝随之向上延伸反映到沥青表面，就形成了反射裂缝。防治的措施可从基层和沥青两个方面入手:加强基层的设计与施工环节，保证基层的强度的同时，减弱外部因素如地质条件，气候条件对基层的影响，尽量避免基层因各种原因出现拉应力;适当增加沥青铺层的厚度，降低沥青铺层的温干缩系数，延缓反射裂缝的发展。由于沥青路面反射裂缝的普遍性，决定了研究沥青反射裂缝这一问题不会终止，更应该实践总结探索更有效的方法。
参考文献：
[1]郑健龙，张起森，半刚性路面反射裂缝及其应力强度因子的有限元分析[J]，岩土工程学报，1990，12(3):22-31
[2]马金海，李运恒，半刚性基层沥青路面裂缝浅析[J]，公路与汽运，2002(6):31-33
论文作者:杨栋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/27
标签：裂缝论文; 反射论文; 基层论文; 面层论文; 刚性论文; 沥青论文; 路面论文; 《建筑学研究前沿》2018年第21期论文;