水泥路面加铺层反射裂缝防治措施研究

曾永亮

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着我国早期建设的水泥路面逐渐老化进入养护期，旧路改造工程逐渐引起技术人员的重视。在水泥路面上加铺沥青层，即所谓的白加黑，是常用的一种旧路改造方法，然而由于我国新建的水泥路面多采用接缝式混凝土板，受热胀冷缩作用的影响，很容易导致加铺后的沥青混凝土路面产生反射裂缝，反射裂缝的产生会导致加铺面层结构损坏，以至于减少沥青加铺层的使用寿命。因此，如何有效地消除反射裂缝成为加铺改造工程的重点也是难点问题，为此研究反射裂缝形成机理并提出相应的防治措施，将对旧路改造工程提供有益的帮助。

1 反射裂缝产生机理

研究表明，沥青加铺层反射裂缝的扩展模式主要有两种：剪切型、张拉型。而交通荷载、温度是反射裂缝产生的两大主要因素。其中，剪切型反射裂缝多是由交通荷载引起。车辆荷载经过接缝或者裂缝时，在偏荷载作用下，缝隙的两侧板端出现弯沉差，从而致使缝隙上的沥青加铺层承受了较大的弯拉应力以及剪切应力。若弯拉、剪切应力超过沥青材料抗弯拉、抗剪强度，就会产生反射裂缝。张拉型反射裂缝则主要由温度变化引起。面层板上黏附沥青加铺层，温度下降面层板收缩，受到水泥面板与加铺层黏附力作用，加铺层相应收缩变形。收缩在两条接缝或裂缝内进行，降温时会导致此位置的加铺层出现拉应力集中。若拉应力超过加铺材料的抗拉强度，便会出现开裂的情况[1]。

一般反射裂缝会首先产生在轮迹处，后向两侧逐渐发展，初期反射裂缝对路面使用性能影响不大；随着地表水浸入及沥青材料氧化，裂缝附近路基材料含水量增大，在反复的车辆荷载作用下产生了动水压力，动水压力作用在抗冲刷能力较低的砂砾基层，便出现唧泥现象，致使水泥混凝土板底脱空，路面结构承载力大幅下降，使用寿命缩短。因此，沥青加铺层反射裂缝控制是水泥路面改造的最重要技术问题之一。

根据其发展形态，沥青加铺层反射裂缝划有两个扩展阶段。

1.1 纵向扩展

纵向反射裂缝主要由温度与荷载造成的，其中温度产生的反射裂缝多产生于水泥面层底部，后向上发展至路面顶面。交通荷载产生的反射裂缝根据荷载方式会产生不同发展路径。

1.2 横向扩展

横向反射裂缝不可能一出现即横向贯穿整个路面。往往是首先在某些位置产生细小横向裂缝，后逐渐向两侧发展，这些位置通常是在轮迹处，因为车辆荷载是按一定频率分布，因此横向裂缝分布也有一定的规律[2]。

2 反射裂缝计算分析

有限元可用来模拟材料的力学行为。如线性及各向同性弹性的Hooke定律可得到最简单的应力应变关系，它仅涉及两个输入参数，即杨氏模量和泊松比。可用来反映反射裂缝产生的应力变化情况。

2.1 有限元计算模型

公路是线性长条基础构筑物，可以把该类计算对象简化成平面应变模型进行分析，为体现出无限大空间基础特性，公路结构下部基础多扩大尺寸来模拟。计算将公路面层、基层考虑为线弹性材料，采用Linear elastic模型；路基土材料模型采用Mohr-CouIomb屈服准则模拟。

表1 计算参数选取

图1 计算有限元模型

2.2 计算结果分析

考虑沥青加铺层厚度对下部水泥板块裂缝应力分布影响；计算分别取加铺层厚度6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、16 cm、18 cm、20 cm，得到不同厚度下模型主要参量的变化曲线。

图2 剪应力随厚度变化曲线

可知，在模型裂缝处出现明显应力集中现象，随沥青厚度的增加，结构内部应力与变形参量呈现减小趋势，说明沥青厚度增加对裂缝发展有延缓的作用。但剪应力变化曲线显示，达到14 cm厚度加铺层，沥青厚度对剪应力的影响不是很明显。

考虑沥青变形模量对裂缝及其周边区域的影响，加铺层采用设计厚度12 cm，对应加铺层模量800 MPa、1200 MPa、1 600 MPa、2 000 MPa、2 400 MPa、2 800 MPa、3 200 MPa、3 600 MPa。计算结果如表2所示。

表2 裂缝应力变形随沥青加铺层模量变化规律

计算结果显示，裂缝变形与应力随着模量的增加而增加，但相比厚度，模量影响下的变化幅度较小。可知，在荷载作用下裂缝扩展随路面变形模量增加而增大，据此得出，冬天气温低时路面模量高，裂缝发展速度可能大于夏天气温高路面模量低的情况。此外，通过添加改性材料或更改级配的方法可以有效提高沥青路面抗变形能力，从而有效地抵抗放射裂缝。

3 反射裂缝防治措施

3.1 反射裂缝的防治对策

水泥混凝土路面加铺沥青面层是典型修补方法，这种复合形式路面结构刚柔相济，包涵了两种材料的优点，既有稳定坚实的水泥混凝土基层，又有摩阻系数高、平整度好的沥青表面层，因此它可以极大地改善路面使用性能。但同时复合结构材料差异大，旧水泥混凝土路面板接缝、裂缝、错台及脱空等损坏使得结构中出现奇异，在奇异位置上很容易出现反射裂缝。反射裂缝本身对路面影响不大，但受外部环境影响的裂缝扩散将会减少加铺层寿命。为控制反射裂缝数量和发展速度，主要有以下几种措施[3]。

3.1.1 锯切横缝

在原水泥面层横缝位置，对应上部沥青面层预先切出新的横缝，填入填充料，密封接缝。通过预先切缝，可释放沥青面层内因为温度变化受阻而产生的应力，并预留板块断面移动的空间，以此达到减少随意裂缝产生的目的。

3.1.2 加厚加铺层

研究表明通过增加沥青面层厚度，可减少原水泥面层因温度变化造成的不利影响，从而降低加铺层拉剪应力，此外还增加了白加黑路面结构的弯曲刚度。另外面层厚度变大，也增加了裂缝扩展距离，从而延长使用寿命。

3.1.3 裂缝缓解层

在沥青加铺层与原水泥面层之间设置开级配沥青碎石混合料缓解层。该混合料含有25%～35%孔隙（连通状态），该缓解层可抑制下部水泥面层板接缝位置产生的弯沉差向上部沥青加铺层的传递，由此达到减少反射裂缝产生的作用。

3.1.4 破碎稳固

若水泥面层损坏很严重，修复板已不经济，宜采用破碎稳固的措施。通过破碎机将面板分成为60～100 cm不等碎块，后用碾压机进行碾压，使大小碎块嵌固在路面基层上，碾压应尽量使碎块顶面无明显空隙。当板块的尺寸减小后，温度变化产生的位移也会被极大降低，对应也就减小了沥青加铺层的拉应力、剪应力。此外，接缝两侧弯沉差也会随板块尺寸的减小而减小。

3.1.5 设置夹层

在水泥面层和沥青加铺层之间设置夹层，该夹层的设置可使沥青面层底与水泥路面容易应力集中的接缝部脱离，从而减小其应力或应变，改变其抗拉、抗剪能力。夹层主要分为三大类。

3.1.5.1 橡胶沥青

这一夹层有应力吸收的作用，高弹性、低劲度，厚度10～50 mm，模量10～100 MPa。通过降低旧面层加铺层之间黏附力，使二者容易滑动，以此减少温度变化影响。此外由于隔开了加铺层与接缝端部接触，还可降低加铺层底面受荷。

3.1.5.2 土工织物

这一夹层通常包括聚丙烯、聚乙烯等无纺织物，厚度在0.4～4 mm之间，模量约为10～60 MPa，临界应力约为5～20 MPa，临界应变40%～140%。无纺织物夹层和橡胶沥青应力吸收夹层作用类似，由于其模量高，该夹层还可起加筋作用。

3.1.5.3 格栅

这种夹层通常包括聚丙烯、玻璃格栅、金属格栅等。厚度约0.8～11 mm，模量约为900～2 500 MPa。其中金属格栅厚度多为2～4 mm，模量可达8 000～10 000 MPa。与前两种夹层相比，格栅的缺点是刚度较大、温度变化对其影响大，但它的优点是对荷载产生的应力控制作用效果显著。

3.2 防反效果评价

a）锯切横缝可减少反射接缝或裂缝处的边缘碎裂，但接缝的养护十分重要，若接缝处理不好就会适得其反，反而加速路面性能的丧失。同时这一措施只用于状况良好的旧路面结构。

b）增加加铺层厚度的局限性首先是受到路面标高的限制，增加厚度也会大幅度增加造价；此外沥青混合料在高温下的蠕变易产生车辙，从而减弱了白加黑水泥基层强基薄面的优势。

c）开级配沥青碎石混合料缓解层的设置必须妥善处理表面水渗透问题。此外，这种裂缝缓解层无法控制剪切型反射裂缝的产生与发展。

d）破碎稳固使得原水泥面层结构刚度丧失，混凝土层性状处于柔性状态，无法利用原有的刚度。

e）夹层刚度不同，防反作用也不同。软夹层可有效减少温度引起的反射裂缝，硬夹层可有效降低荷载产生的反射裂缝，但对温度产生的反射裂缝控制效果不佳。因此夹层选择应针对反射裂缝产生的主因。夹层实际效果主要是由于面层结构状况、反射裂缝产生复杂多变，设计前调查不清楚导致选用不当。

各项措施都可以在防治反射裂缝中起到一定作用，同时也存在一定局限性，选择措施时应针对工程中路面结构、工程环境等实际情况，综合成本、控制效果等几个方面，确定防反射裂缝方法[4]。

4 结语

反射裂缝的防治是旧路加铺改造工程面临的技术难题，因此本文通过分析计算得到以下结论，为解决该类问题提供一些新的思路：

a）反射裂缝产生的原因和发展的机理，根据其发展模式分为剪切型反射裂缝及张拉型反射裂缝，交通荷载与温度作用是其产生的主因。

b）计算不同沥青加铺层厚度、不同沥青加铺层模量，水泥板块裂缝及其周边区域的应力与变形变化情况，通过剪切应力、最大主应力、竖向位移等几项参量的变化规律，分析其对裂缝发展的影响。

c）反射裂缝的防治主要有切缝、罩层、设置夹层等方法，分析了其处治基本原理，并对各类方法的局限性进行讨论。